Химические и электрохимические методы очистки сточных вод

     В Днепропетровском химико-технологическом  институте предложено сточные  воды обрабатывать в электролизере   с растворимым анодом из пористого  титана в присутствии замещенного  амида иминосульфиновой кислоты формулы C₆H₅S(=NSO₂C₆H₅)NHSO₂C₆H₅.Размеры пор пористого титана 20 – 300 мкм, общая пористость 20 – 40 % .

    Приведена схема одноступенчатой  электролитической установки для  удаления тяжелых металлов (удаление 90% металлических ионов) из сточных  вод. В бездиафрагменном электролизере используются 2 насыпных катода, между которыми расположен пластинчатый анод. Катод состоит из гранул, изготовленных из материала, который плохо сцепляется с осаждаемыми металлами и поэтому осаждаемый металл выпадает на дно в виде порошка.

    Достоинства  метода 

    1) Отсутствие  шлама.

    2) Незначительный  расход реагентов.

    3) Простота  эксплуатации.

    4) Малые  площади, занимаемые оборудованием.

    5) Возможность  извлечения металлов из концентрированных

стоков.

    Недостатки  метода 

    1) Не  обеспечивает достижение ПДК  при сбросе в водоемы рыбохозяйственного назначения.

    2) Аноды  из дефицитного материала.

    3) Неэкономичность  очистки разбавленных стоков 

 Метод гальванокоагуляции

    Метод  внедрен на ряде предприятий.  Разработчики: “Гипроцветметобработка”, “Казмеханобр”. Изготовители: Востокмашзавод (Усть-Каменогорск), Бердичевский машиностроительный завод и др.

    На  предприятии “Казмеханобр” испытан

гальванокоагуляционный  аппарат типа КБ-1 производительностью 50-100 м³ /сут для очистки сточных вод.

     Достоинства   метода 

    1) Очистка  до требований ПДК от соединений  Cr(VI).

    2) В  качестве реагента используются  отходы железа.

    3) Малая энергоемкость.

    4) Низкие  эксплуатационные затраты.

    5) Значительное  снижение концентрации сульфат-ионов.

    6) Высокая  скорость процесса

  Недостатки  метода 

   1) Не достигается  ПДК при сбросе в водоемы  рыбохозяйственного назначения.

   2) Высокая  трудоемкость при смене загрузки.

   3) Необходимость  больших избытков реагента  (железа).

   4) Большие  количества осадка и сложность  его 

При электроокислении сточные воды пропускаются через электролизер, в котором происходит электрохимическое окисление органических примесей на нерастворимом аноде. Например, фенол окисляется на аноде до оксида углерода и малеиновой кислоты:

С₆Н₅ОН + 7Н₂О - 16е = 2СО₂ + (СНСООН)₂ + 16Н⁺

Метод электрохимического восстановления с применением нерастворимых электродов особенно  эффективен  для обезвреживания хромсодержащих сточных вод с большими концентрациями Cr6+ (более 2 г/литр). Катодное восстановление металлов происходит по схеме:

                                    Me_n +ne^- → Me⁰

        При этом металлы осаждаются  на катоде и могут быть рекуперированы. При использовании метода электрохимического  восстановления можно снизит  концентрацию хрома в сточных  водах на 3 порядка. 

Наиболее широко для выделения металлов из промышленных сточных вод применяются следующие  виды катодов:

Пористые, объемно-насыпные проточные, плоские пластины с инертной загрузкой

Электродиализ.

Процесс удаления из раствора ионов растворённых веществ  путём избирательного их переноса через  мембраны, селективные к этим ионам, в поле постоянного тока. Движущей силой процесса является градиент электрического потенциала.

На фото –  установка.

При наложении постоянного эл. поля на р-р возникает направленное движение ионов солей и Н⁺ и ОН^-  . Катионы к катоду, анионы к аноду. Если р-р разделить на секции с помощью спец. мембран, проницаемых только для катионов или только для анионов, то катионы, например, будут свободно будут свободно проходить через эту катионитовую мембрану, т.о. р-р разделится на Н₂О и концентрированные р-ры. При использовании проницаемых для ионов неселективных мембран можно разделять электролиты и неэлектролиты.  
 
 
 
 
 
 

Матрица анионообменной мембраны имеет катионные группы. Заряд катионов нейтрализован зарядом  подвижных анионов, находящихся  в порах мембраны. Анионы раствора электролита могут внедряться в  матрицу мембраны и замещать первоначально  присутствующие в ней анионы. Проникновению  в мембрану катионов препятствуют силы отталкивания их фиксированными в матрице  мембраны катионами.

На электродах протекает процесс электролиза. В многокамерном аппарате неизбежные непроизводительные затраты электроэнергии, обусловленные этим процессом, распределяются на большое число камер. Поэтому  в расчете на единицу продукции  эти затраты сводятся к минимуму.

 

Процесс электродиализа реже применяется в промышленности, чем процессы обратного осмоса и  ультрафильтрации, так как применяя электродиализ возможно удалять из раствора только ионы. Наиболее широко электродиализные установки применяются для опреснения морской воды при получении питьевой и/или технической воды. Но чаще процесс электродиализа применяют для очистки воды, содержание растворенных солей в которой составляет примерно 10 г/л. В этом случае процесс электродиализа является более экономичным по сравнению с обратным осмосом или выпариванием. При помощи электродиализа можно получать растворы солей со сравнительно высокой концентрацией. Благодаря этой особенности рассматриваемого процесса электродиализ применяется также при производстве поваренной соли и других солей из морской воды. Электродиализ применяется также для предочистки воды для теплоэнергетических установок.

Применяется для обессоливания сточных вод гальванического производств (гальванических стоков). Также мембранный электролиз используется для концентрирования сточных вод, содержащих ценные компоненты (например, драгоценные металлы), перед последующим извлечением этих компонентов. По сравнению с обратным осмосом электродиализ имеет то преимущество, что позволяет использовать термически и химически более стойкие мембраны, поэтому процесс электродиализа может осуществляться при повышенных температурах, а также при очень малых или наоборот больших значениях pH раствора. Ограничением в применении электродиализа для очистки стоков гальванического производства является невозможность удалить незаряженные компоненты, которые также присутствуют в сточных водах.

Общая схема:

 

Выводы.

В результате анализа  научно-технической и патентной  литературы становится очевидно, что не существует универсального, т.е. эффективного и дешевого метода очистки промышленных сточных вод.

Наиболее широко применяемый реагентный метод, достаточно прост и дешев, однако не решает проблему утилизации ценных компонентов, которые безвозвратно теряются с осадками. В результате чего почвы загрязняются токсичными шламами. Кроме того, метод не обеспечивает необходимого качества очистки сточных вод, предполагая направлять стоки на доочистку в городской коллектор, причиняя немалый ущерб окружающей среде и подрывая бюджет предприятия. 

ХПК и БПК.

ХПК – 1) выражает количество кислорода, необходимое  для полного химического окисления  органических веществ загрязнений  в СВ, мг/л. «Сhemical oxyden demand» (COD) Присутствующие в воде органические соединения могут претерпевать не только аэробное биохимическое окисление в результате жизнедеятельности бактерий, используемое при определении БПК. При наличии в пробе воды сильных окислителей и соответствующих условий протекают химические реакции окисления органических веществ, причем характеристикой процесса химического окисления, а также мерой содержания в пробе органических веществ является потребление в реакции кислорода, химически связанного в окислителях. Показатель, характеризующий суммарное содержание в воде органических веществ по количеству израсходованного на окисление химически связанного кислорода, называется химическим потреблением кислорода (ХПК).

БПК – количество кислорода в миллиграммах, требуемое  для окисления находящихся в 1 л воды органических веществ в  аэробных условиях, без доступа света, при 20°С, за определенный период в результате протекающих в воде биохимических процессов.

БПК - количество кислорода, необходимое для окисления  органических веществ в естественных  условиях до полной их минерализации.

Особенностью  биохимического окисления органических веществ в воде является сопутствующий  ему процесс нитрификации, искажающий характер потребления кислорода

  Нитрификация  протекает под воздействием особых  нитрифицирующих бактерий – Nitrozomonas, Nitrobacter и др. Эти бактерии обеспечивают окисление азотсодержащих соединений, которые обычно присутствуют в загрязненных природных и некоторых сточных водах, и тем самым способствуют превращению азота сначала из аммонийной в нитритную, а затем и нитратную формы. Соответствующие процессы описываются уравнениями:

где: Q – энергия, высвобождающаяся при реакциях.

Рекомендуемые реагенты при реагентной очистке и количества: