Обеззараживание воды

      Установки «Sanilec» могут работать и при использовании морской воды, прошедшей предварительную фильтрацию. Концентрация активного хлора в готовом продукте в зависимости от исходного содержания воды и режимных параметров составляет 0,2 – 2,35 г/л. Катодные отложения солей жесткости удаляются периодически путем кислотной промывки. По данным фирмы, частота промывки – 1 раз в шесть месяцев. Время, необходимое на проведение всей операции, с учетом установки электролизера и пуска его в эксплуатацию, составляет 4 – 6 часов. Установки выполняются с производительностью от 60 до 1000 кг активного хлора в сутки. 

      Электролизеры «Pepcon» также могут работать при использовании как растворов соли, так и морской воды. Конструкция типовой электролитической ячейки показана на рис. 7. Анодный графитовый стержень с активным покрытием из PbO₂ на специальных фиксаторах установлен внутри металлической трубы, являющейся катодом. При использовании морской воды катод выполняется из титана, а растворов поваренной соли – из нержавеющей стали. Токоподводы расположены снаружи трубы. Рассол протекает в узкий зазор между электродами.

Рис.7 Ячейка «Pepcon»

      Отдельные ячейки можно компоновать в параллельные блоки с образованием модулей. Набор модулей позволяет получить требуемую производительность. Каждая ячейка рассчитана на токовую нагрузку до 500 А при напряжении 6 – 7 В и способна в сутки производить до 9 кг активного хлора – при использовании раствора поваренной соли и до 11 кг – при использовании морской воды. Регулируя токовую нагрузку и напряжение, можно получить растворы с содержанием активного хлора от 0,2 до 8 г/л. 

      Получение концентрированных растворов ГХН  возможно только при применении системы  рециркуляции и теплообменных устройств. Для получения 1 кг активного хлора затрачивается 3 – 3,5 кг соли и 6,6 – 6,8 кВт*ч электроэнергии. 

      В настоящее время в нашей стране в основном нашли применение электролизеры для получения ГХН из растворов поваренной соли. Серийно выпускаются электролизные установки непроточного типа с графитовыми электродами марки ЭН производительностью от 1 до 100 кг активного хлора в сутки. Схема электролизной установки показана на рис. 8.

Рис.8 Электролизная установка непроточного типа, ЭН

      Растворный бак 1 из нержавеющей стали установлен с насосом на общей раме. Внутри бака расположены решетки с отверстиями для равномерного распределения потока воды при перемешивании соли по всей поверхности дна бака и поплавок для забора отстоенного раствора. Для предотвращения засорения насоса и магистралей на входном штуцере поплавка установлен стакан с отверстиями. В дне бака расположена сливная магистраль для спуска загрязненной или промывной воды в канализацию. Бак-накопитель 3 выполнен из винипласта. В дне бака расположен сливной патрубок с запорным вентилем В₃ для спуска осадка или промывной воды в канализацию. Основной элемент установки – электролизер (рис.9), выполненный в виде электролитической ванны из антикоррозийного материала (полипропилена или винипласта) с  расположенными в ней пакетом графитовых электродов и проточными водяными теплообменниками.  

Рис.9 Принципиальная схема непроточного электролизера 

      Пакет графитовых электродов состоит из системы  токоподводящих 4 и промежуточных 5 электродов. Электроды собираются в общий пакет с помощью стяжек, фиксирующих шайб, обеспечивающих поддержание заданного межэлектродного расстояния, и зажимных гаек. Для предотвращения токов утечки торцевые поверхности электродов закрывают накладками. Все указанные элементы изготовлены из винипласта. Для отсоса электролизных газов над поверхностью электролитической ванны установлен зонт вытяжной вентиляции. 

      Установка работает следующим образом: в растворный бак загружают обычную неочищенную  техническую поваренную соль, заливают воду и с помощью насоса производят перемешивание до получения насыщенного раствора поваренной соли (280-300 г/л NaCl). Приготовленный раствор насосом по трубопроводу подают в электролизер, где его водопроводной водой разбавляют до рабочей концентрации 100-120 г/л, подают в теплообменник охлаждающую воду и затем включают выпрямительный агрегат. 

      При подаче напряжения на токоподводящие электроды в межэлектродном пространстве выделяются пузырьки газа. И как  только плотный электролит попадает в межэлектродное пространство, он сразу же насыщается пузырьками газа и вытесняется из кассеты следующей порцией раствора. Таким образом устанавливается естественная циркуляция электролита, и вся масса раствора поваренной соли, находящейся в ванне, постепенно проходит через электролитическую кассету, подвергаясь электролизу. Процесс электролиза ведут до получения требуемой концентрации активного хлора, после чего готовый раствор сливают в бак-накопитель и весь цикл повторяется сначала. Отложения солей жесткости удаляются переодически путем смены полярности электродов. 

      Наиболее  простыми по конструкции являются установки  производительностью до 1 и 5 кг хлора  в сутки (ЭН-1 и ЭН-5), работающие в  режиме неглубокого разложения соли (до 6-7%-ного). Эти электролизеры предназначены для очистных сооружений с расходом хлора до 5 кг/сут. С целью упрощения конструкции и эксплуатации установки выполнены без охлаждающих устройств. Электролизеры ЭН-1 и ЭН-5 на получение 1 кг активного хлора расходуют 12-15 кг поваренной соли. Некоторый перерасход соли оправдывается простотой обслуживания установки, а также тем, что общий суточный расход соли составляет всего 15-75 кг. 

      Электролизеры ЭН-25 и ЭН-100 производительностью 25 и 100 кг хлора в сутки работают в  режиме глубокого разложения (10-12%-ного) и более экономичны. Столь высокое использование поваренной соли достигается в результате применения охлаждающих устройств. 

      Техническая характеристика электролизных установок  непроточного типа приведена в табл. 1. Электролизные установки типа ЭН могут работать и при применении в качестве исходного рассола подземных минерализованных вод при условии, что концентрация хлоридов в них не ниже 50 – 60 г/л. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Таблица 1. Техническая характеристика электролизных установок непроточного типа 

      Оснащение электролизеров типа ЭН окисно-рутениевыми анодами, позволяет создать более производительные установки и снизить расход соли и электроэнергии на производство 1 кг активного хлора в 2 – 2,5 раза [15]. 

      В 1995 году Бахиром В. М. был разработан процесс ионселективного электролиза с диафрагмой, реализованный затем в 1996 году в установках АКВАХЛОР. 

      Установки АКВАХЛОР – это компактные безопасные установки, позволяющие получать из водного раствора хлорида натрия концентрацией 200 – 250 г/л раствор смеси оксидантов, представленный хлором, хлорноватистой кислотой, диоксидом хлора, озоном и гидропероксидными соединениями (рис. 10). Процесс происходит под давлением Установки выпускаются ООО "Лаборатория Электротехнологии" (ООО "ЛЭТ") в виде модулей производительностью от 30 до 500 граммов смеси оксидантов в час. Для получения 1 кг оксидантов в установках АКВАХЛОР расходуется не более 1,7 – 2,0 гк сухого хлорида натрия и около 2 кВт*ч электроэнергии. 

      В электрохимическом реакторе установок АКВАХЛОР основной является реакция выделения молекулярного хлора в анодной камере и образования гидроксида натрия в катодной камере:

NaCl + H₂O – e ® NaOH + 0,5 H₂ + 0,5 Cl₂ 

      Одновременно, с меньшим выходом по току протекают  реакции синтеза диоксида хлора непосредственно из солевого раствора, а также из соляной кислоты, которая образуется при растворении молекулярного хлора в прианодной среде (Cl₂ + H₂O ‹—› HClO + HCl):  

2NaCl + 6H₂O – 10e ® 2ClO₂ + 2NaOH + 5 H₂ ; HCl + 2H₂O - 5e ® ClO₂ + 5 H⁺ . 

      Кроме того, в анодной камере происходит образование озона за счет прямого разложения воды и за счет окисления выделяющегося кислорода:

3H₂O - 6e ® O₃ + 6H⁺ ; 2H₂O - 4e ® 4H⁺ + O₂ ; откуда

O₂ + Н₂O - 2e ® O₃ + 2 Н⁺  

      С малым выходом по току протекают  реакции образования соединений активного кислорода:  

H₂O - 2e ® 2H⁺ + O^• ; Н₂О - е ® HO^• + Н⁺ ; 2H₂O - 3e ® HO₂ + 3H⁺ . 

Рис.10 Принципиальная схема технологического процесса работы установки АКВАХЛОР-500  

      Установки АКВАХЛОР позволяют на месте потребления  получить из раствора хлорида натрия два продукта - хлор и каустическую соду в необходимом количестве в любое время. Поскольку свежеполученный хлор содержит небольшое количество других оксидантов (диоксид хлора, озон), то побочные продукты хлорирования в воде, такие, например, как хлороформ, не образуются. Также раствор оксидантов, в отличие от традиционной хлорной воды, эффективно удаляет биопленки с внутренней поверхности водоводов, что исключает необходимость аммонизации, уменьшает скорость коррозии водоводов и придает воде отличные органолептические свойства [24].  
 

      Однако  обследование водопроводной станции  нефтеперерабатывающего завода «Славнефть»  в 2009 году выявило непостоянство  установки АКВАХЛОР по производительности. Этот недостаток заставляет усомниться в надежности установки и требует достаточно критического отношения к ее применению. 

      Обеззараживание воды при исходном содержании в ней  хлоридов не менее 20 мг/л и жесткости до 7 мг*экв/л может быть достигнуто прямым электролизом. Еще в конце 19 в. Было обнаружено, что при пропуске обрабатываемой воды через электролизер под действием электрического тока образуются соединения, которые обеззараживают воду непосредственно в потоке. Эта технология обработки воды не связана с применением каких-либо привозных реагентов, а ее аппаратура отличается компактностью и простотой эксплуатации. 

      Реакции прямого электро-окисления органических соединений могут идти либо путем взаимодействия между органическими молекулами и кислородосодержащими частицами, либо путем прямого окисления веществ на аноде с образованием новых продуктов. Сущность прямого окисления заключается в том, что молекула органического вещества, адсорбируясь на поверхности анода, отдает электроны с одновременной или предшествующей гидратацией. 

      По  мере увеличения количества электричества, приходящегося на 1 л обрабатываемой воды, степень очистки воды возрастает. Однако во всех случаях при любом инициальном заражении требуемый эффект обеззараживания наблюдается только при определенной величине остаточного хлора. Результаты санитарно-бактериологических исследований подтверждают, что это является основным критерием бактериальной надежности воды. Несмотря на возможность образования в процессе электролиза различных соединений и окислителей, основное влияние на эффект обработки воды также оказывает активный хлор. Следовательно, с целью создания экономичного метода обеззараживания воды процесс ее прямого электролиза необходимо проводить при условиях, обеспечивающих максимально возможный выход хлора по току. 

      Процесс прямого электролиза протекает в два этапа: электрохимическое получение окислителей и их смешивание с обеззараживаемой водой. Одним из основных факторов процесса является вид применяемого анода. Платино-титановые аноды (ПТА) и окисно-рутениевые аноды (ОРТА) обладают удовлетворительными электрохимическими и механическими показателями и позволяют наиболее экономично вести процесс электролиза. Оптимальная плотность тока при электролизе с использованием ОРТА составляет 1,5 – 2,0 кА/м². Выход по току на ПТА практически не изменяется от плотности тока в интервале 1,0 – 4,0 кА/м².