Методы очистки питьевой воды

 

     

     Рисунок 2.2 - Установка «Водолей-М-30» 
 

3. Использование пакета параллельных растворимых электродов в очистке питьевой воды

 

   Рассматриваемый способ  направлен на решение  следующей задачи: создать простой, удобный для применения в бытовых  условиях способ дополнительной очистки питьевой, преимущественно водопроводной, воды, позволяющий максимально улучшить ее потребительские свойства и уменьшить количество содержащихся в ней вредных примесей.

   Технический результат данного способа электрохимической  очистки питьевой воды (улучшение потребительских свойств воды и упрощение способа) достигается тем, что обработку воды, преимущественно водопроводной, проводят в непроточном режиме пакетом параллельных растворимых электродов при энергозатратах 1000-1200 Дж/л воды, после отключения электродов воду перемешивают токопроводящим предметом, а фильтрование осуществляют после образования крупных хлопьев коагулянта.

   Метод электрохимической очистки воды путем ее обработки пакетом параллельных растворимых электродов (метод электрокоагуляции) широко применяется для очистки сточных, промышленных, природных вод, в том числе и питьевой воды. При этом достигаются различные технические результаты: увеличение степени очистки воды от примесей, взвешенных частиц, обеззараживание воды, улучшение ее химических свойств и др. Обработку воды проводят, преимущественно, в проточном режиме. Обработка воды в непроточном режиме (статических условиях) позволяет осуществить в одном объеме все виды электрокоагуляционных процессов: поляризационную, электрохимическую, гидродинамическую и концентрационную коагуляции.

   В обычных (проточных) реакторах для  осуществления поляризационной  коагуляции необходимо создавать условия  для небольшой скорости потока очищаемой  воды, так как в противном случае цепочечные агрегаты неустойчивы. В рассматриваемом способе условия для поляризационной коагуляции оптимальны. Для осуществления электрохимической коагуляции в непроточном режиме создаются идеальные условия, так как вследствие газообразования между электродами имеется очень слабое течение, перемешивающее воду на первой стадии обработки. Электролитическая коагуляция протекает в зависимости от тока и в случае заявляемого способа также идет в идеальных условиях. Гидродинамическая коагуляция отнесена к заключительному этапу очистки воды и вследствие энергичного перемешивания воды токопроводящим предметом после отключения электродов протекает совместно с концентрационной коагуляцией на стадии созревания коагулянта, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы идут при перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и после отключения электродов и перемешивания токопроводящим предметом способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Таким образом, обработка воды в непроточном режиме обеспечивает создание условий, при которых достигается получение требуемого результата: улучшение потребительских свойств питьевой воды и повышение степени ее очистки.

   Энергозатраты на очистку питьевой воды в диапазоне 1000-1200 Дж/л установлены экспериментально и для водопроводной воды оптимальное значение энергозатрат составляет 1100 Дж/л. Именно при этом значении было достигнуто максимальное улучшение потребительских свойств водопроводной воды и степень ее очистки. При энергозатратах менее 1000 Дж/л процесс проходит более замедленно, значительно снижается количество гидроксидов железа и алюминия и для достижения желаемого результата необходимо увеличивать время обработки воды. При увеличении энергозатрат более 1200 Дж/л возрастает выход по алюминию с нарушением величины предельно допустимой концентрации (0,25 мг/л), а также затрудняется процесс очистки воды из-за большого количества пузырьков газа, оседающих на электродах.

   Перемешивание как прием широко используется во всех реакторах, где требуется увеличение числа соударений и ускорение какой-либо реакции. Отличием рассматриваемого способа является перемешивание токопроводящим предметом обработанного объема воды после отключения электродов. При этом кроме ускорения процесса (ожидаемый результат) происходит значительное и быстрое укрупнение частиц коагулянта, вероятно, за счет частичного снятия электрического заряда с мицелл и их активного слипания. Вследствие энергичного перемешивания токопроводящим предметом начинают активно протекать гидродинамическая и концентрационная коагуляции, что способствует укрупнению агрегатов до 1,5-2,5 мм. Поскольку все процессы в непроточном режиме идут при так называемом перенапряжении, образующиеся приэлектродные газы не только создают течение жидкости в объеме, но и по окончании процесса электрообработки (после отключения электродов и перемешивания) способствуют транспорту агрегатов к поверхности и их уплотнению. Следствием процесса флотации, протекающего в непроточном объеме, то есть в идеальных условиях, является быстрое осветление обрабатываемой воды. Однако для упрощения способа фильтрование можно начинать, не дожидаясь окончательного подъема шлама к поверхности обработанного объема, а проводить его на стадии образования крупных

хлопьев коагулянта. Это снижает требования к фильтровальным материалам, в качестве которых могут быть использованы ткани из натуральных волокон  с величиной ячейки не более 60 мкм (бязь, фланель) или металлокерамические  пористые материалы. Как показали проведенные испытания, фильтрование воды на этой стадии (образования крупных хлопьев коагулянта) обеспечивает получение воды с высокими потребительскими свойствами и значительно уменьшившейся величиной окисляемости.

     На  рисунке 2.5 дана схема устройства для реализации рассматриваемого способа очистки питьевой воды.  

Рисунок 2.5 - Схема устройства

     Устройство  для очистки питьевой воды состоит  из емкости 1 из диэлектрика (например, одно-, двух- или трехлитровая банка) и крышки 2 из изоляционного материала с закрепленным в ней пакетом растворимых электродов 3 и 4 в виде параллельных пластин. Электроды 3 выполнены из сплава алюминия (например, АМГ-2, АМГ-2М), а электроды 4 из сплава железа (углеродистая конструкционная сталь СТ-3). Электроды соединены попарно электрически ("железные" с "алюминиевыми"). Понижающий трансформатор 5, выпрямитель 6 и переключатель 7 образуют блок питания для поочередной подачи на электроды 3 и 4 однополярного напряжения.

Соотношение активных площадей электродов "алюминиевых" к "железным" должно находиться в пределах 4:1-6:1. Размеры электродов определены исходя из того, что они предназначены для использования совместно с емкостями объемами 1-3 л, что весьма удобно в бытовых условиях. Время обработки 1 л воды определялось исходя из известных в литературе данных: безопасное напряжение 36В, оптимальный ток на единицу активной поверхности электродов 0,004А/см². Активная площадь алюминиевых электродов для указанных объемов воды (1-3 л) составляет 124 см² (6,2х10х2)[7].

5.   Расчет электрокоагулятора

     Электрокоагуляционная очистка питьевых вод требует  значительный расход энергии, но при  этом вода практически очищается  от бактерий, что приводит к увеличению срока службы воды и уменьшению заболеваний  у человека.

     Рассмотрим  расчет электрокоагулятора при суточном расходе воды

100 м³.

- Q_cen=100 м³/сут=4,17м³/ч=0,001 м³/с

- цветность: Ц=40-160 град

- щелочность: Щ=0,4-0,8 мгэкв/л

- концентрация: С=60-100 мг/л

- pH=6,8-7,1

- аноды: алюминиевый, ОРТА

- катод: нержавеющая сталь

- электрический ток: постоянный

- расстояние между пластинами 10 мм

- напряжение при данном солесодержании и расстоянии между пластинами 10 см=12 В

- присоединение электродов-монополярное

1. Определение расхода алюминия для процесса коагуляции

D_Al=α

Где: α-коэффициент зависящий от фракционного состава вещества (α=0,2)

Ц-цветность  воды (Ц=160)

D_Al=0,2

=2,53 г/м³

2. По полученной дозе коагулянта вычисляем необходимое для его получения электричество на 1 м³ воды

q=

где: Ф-число  Фарадея (Ф=96491 Кл/гэкв);

n- валентность растворяющегося вещества (n=3);

А-атомная масса  растворенного металла (А=27).

q=

=27124,69 Кл/м³

3. Часовой расход количества электричества

q_r=Q_час*q

q_r=27124,69*4,17=113109,95 Кл/час

4. Расход металла при β=1

P_Al=Q_час*D_Al

Часовой P_Al=4,17*2,53=10,55 г/час

Суточный  P_Al=100*2,53=253 г/сут

Месячный P_Al=3000*2,53=7590 г/мес

5. Сила тока необходимая для растворения металла

I=

Где: Т-время, сек

I= 113109,95/3600=31,42 А 

6. Площадь анодов определяется исходя из плотности тока

F=

F=

=0,8 м²

7. Масса анодов

P_Al=F_Al*σ*ρ_Al

Где: F- площадь

σ –толщина электродов (4 мм)

ρ_Al- удельный вес алюминия (2,6 т/м³)

P_Al=0,8*0,004*2,6=8 кг

8. Масса катодов

P_Ме=F*σ*ρ_Ме

Где: ρ_Ме- удельный вес металла (7,85 т/м³)

P_Ме=0,8*0,004*7,85=25 кг

      9.Общая масса

P=P_Al+P_Me

Р=8+25=33кг

      10.Расчет количества металла которое  может быть растворено

Р₀= P_Al*К

Р₀=0,85*8=6,8 к

11.Срок эксплуатации  анодов

Т=

Т=

=26,9 дней