Электрокоагуляция

Электрокоагуляция (EC) — это метод, используемый для очистки сточных вод , очистки промывочной воды, промышленно обработанной воды и медицинского лечения. Электрокоагуляция стала быстрорастущей областью очистки сточных вод из-за ее способности удалять загрязняющие вещества, которые обычно сложнее удалить с помощью систем фильтрации или химической обработки , такие как эмульгированное масло, общие нефтяные углеводороды , тугоплавкие органические вещества, взвешенные твердые частицы и тяжелые металлы . Существует множество марок электрокоагуляционных устройств, и они могут варьироваться по сложности от простого анода и катода до гораздо более сложных устройств с контролем электродных потенциалов, пассивацией, потреблением анода, REDOX-потенциалами ячейки, а также введением ультразвукового звука, ультрафиолетового света и ряда газов и реагентов для достижения так называемых передовых окислительных процессов для тугоплавких или неподатливых органических веществ. ^[1]

Очистка воды и сточных вод

Благодаря новейшим технологиям, снижению потребности в электроэнергии и миниатюризации необходимых источников питания, системы EC стали теперь доступными для водоочистных сооружений и промышленных процессов по всему миру. ^[2]

Фон

Электрокоагуляция («электро», что означает приложение электрического заряда к воде, и «коагуляция», что означает процесс изменения поверхностного заряда частиц, что позволяет взвешенным веществам образовывать агломерацию) является передовой и экономичной технологией очистки воды. Она эффективно удаляет взвешенные твердые частицы до субмикрометровых уровней, разрушает эмульсии, такие как масло и жир или латекс, и окисляет и устраняет тяжелые металлы из воды без использования фильтров или добавления разделительных химикатов ^[3]

Известен широкий спектр методов очистки сточных вод, включающий биологические процессы нитрификации , денитрификации и удаления фосфора , а также ряд физико-химических процессов, требующих добавления химикатов. Обычно используемыми физико-химическими процессами очистки являются фильтрация , очистка воздухом , ионный обмен , химическое осаждение , химическое окисление , адсорбция углерода , ультрафильтрация (UF), обратный осмос (RO), электродиализ , испарение и очистка газом.

Преимущества

• Механическая фильтрация решает только две проблемы в промывочной воде для стиральных решеток: взвешенные твердые частицы размером более 30 мкм и свободное масло и жир. Эмульгированное масло и жир повреждают фильтры-носители, что приводит к высоким расходам на техническое обслуживание. Электрокоагуляция не использует размер частиц для обеспечения физического разделения.
• Химическая обработка решает проблему взвешенных твердых частиц, масла и жира, а также некоторых тяжелых металлов, но может потребовать добавления различных флокулянтов и коагулянтов, а также корректировки pH для надлежащей обработки. Эта технология требует добавления химикатов, что может быть дорогостоящей, грязной, опасной и трудоемкой обработкой. Этот процесс также требует добавления сжатого воздуха для флотации коагулированных загрязняющих веществ. Обычно фильтрация используется только как фаза последующей обработки для полировки.

Технологии

Очистка сточных вод и промывочной воды с помощью EC практиковалась большую часть 20-го века с возрастающей популярностью. В последнее десятилетие эта технология все чаще использовалась в Соединенных Штатах, Южной Америке и Европе для очистки промышленных сточных вод, содержащих металлы. ^[4] Также было отмечено, что в Северной Америке EC в основном использовалась для очистки сточных вод целлюлозно-бумажной промышленности, горнодобывающей и металлообрабатывающей промышленности. Большое применение градирни производительностью тысяча галлонов в минуту в Эль-Пасо, штат Техас, иллюстрирует растущее признание и принятие электрокоагуляции в промышленном сообществе. Кроме того, EC применялась для очистки воды, содержащей пищевые отходы, масляные отходы, красители, отходы общественного транспорта и пристаней для яхт, промывочную воду, чернила, взвешенные частицы , отходы химической и механической полировки, органические вещества из свалочных фильтратов , дефторирование воды, стоков синтетических моющих средств и растворов, содержащих тяжелые металлы. Электрокоагуляция обычно не используется для очистки бытовых сточных вод. ^{[5] [6]}

Процесс коагуляции

Коагуляция — одна из важнейших физико-химических реакций, используемых при очистке воды. Ионы (тяжелые металлы) и коллоиды (органические и неорганические) в основном удерживаются в растворе электрическими зарядами. Добавление ионов с противоположными зарядами дестабилизирует коллоиды, позволяя им коагулировать. Коагуляция может быть достигнута с помощью химического коагулянта или электрическими методами. Квасцы [Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ^. 18 H ₂ O ] — это такое химическое вещество, которое широко использовалось в течение многих лет ^{[ когда? ]} для очистки сточных вод.

Механизм коагуляции был предметом постоянного обзора. Общепринято ^{[ требуется ссылка ]} , что коагуляция вызывается в первую очередь снижением чистого поверхностного заряда до точки, где коллоидные частицы, ранее стабилизированные электростатическим отталкиванием, могут приблизиться достаточно близко, чтобы силы Ван-дер-Ваальса удерживали их вместе и допускали агрегацию. Уменьшение поверхностного заряда является следствием снижения отталкивающего потенциала электрического двойного слоя из-за присутствия электролита с противоположным зарядом. В процессе EC коагулянт образуется in situ путем электролитического окисления соответствующего анодного материала. В этом процессе заряженные ионные виды — металлы или иные — удаляются из сточных вод, позволяя им реагировать с ионом с противоположным зарядом или с хлопьями металлических гидроксидов, образующихся в сточных водах.

Электрокоагуляция предлагает альтернативу использованию солей металлов или полимеров и добавлению полиэлектролита для разрушения стабильных эмульсий и суспензий . Технология удаляет металлы, коллоидные твердые частицы и частицы, а также растворимые неорганические загрязнители из водных сред путем введения высокозаряженных полимерных видов гидроксидов металлов. Эти виды нейтрализуют электростатические заряды на взвешенных твердых частицах и каплях масла, способствуя агломерации или коагуляции и последующему отделению от водной фазы. Обработка вызывает осаждение определенных металлов и солей:

Химическая коагуляция использовалась десятилетиями для дестабилизации суспензий и для осаждения растворимых видов металлов, а также других неорганических видов из водных потоков, тем самым позволяя удалять их путем осаждения или фильтрации. Квасцы, известь и/или полимеры были используемыми химическими коагулянтами. Однако эти процессы, как правило, приводят к образованию больших объемов шлама с высоким содержанием связанной воды, который может медленно фильтроваться и трудно обезвоживаться. Эти процессы обработки также имеют тенденцию увеличивать общее содержание растворенных твердых веществ (TDS) в сточных водах, что делает их неприемлемыми для повторного использования в промышленных целях. ^[7]

Хотя механизм электрокоагуляции напоминает химическую коагуляцию, в которой катионные виды отвечают за нейтрализацию поверхностных зарядов, характеристики электрокоагулированного хлопка резко отличаются от характеристик, полученных при химической коагуляции. Электрокоагулированный хлопок, как правило, содержит меньше связанной воды, более устойчив к сдвигу и легче фильтруется. ^[8]

Описание

В простейшем виде электрокоагуляционный реактор состоит из электролитической ячейки с одним анодом и одним катодом . При подключении к внешнему источнику питания материал анода будет электрохимически корродировать из-за окисления, в то время как катод будет подвергаться пассивации .

Система EC по сути состоит из пар проводящих металлических пластин, соединенных параллельно, которые действуют как монополярные электроды . Кроме того, для нее требуется источник постоянного тока , коробка сопротивлений для регулирования плотности тока и мультиметр для считывания значений тока. Проводящие металлические пластины обычно известны как «жертвенные электроды». Жертвенный анод снижает потенциал растворения анода и минимизирует пассивацию катода. Жертвенные аноды и катоды могут быть из одного и того же или из разных материалов.

Расположение монополярных электродов с ячейками в последовательности электрически похоже на одну ячейку со многими электродами и взаимосвязями. При последовательном расположении ячеек для протекания заданного тока требуется более высокая разность потенциалов, поскольку ячейки, соединенные последовательно, имеют более высокое сопротивление. Однако через все электроды будет протекать тот же ток. Напротив, при параллельном или биполярном расположении электрический ток делится между всеми электродами в зависимости от сопротивления отдельных ячеек, и каждая грань электрода имеет различную полярность.

Во время электролиза положительная сторона подвергается анодным реакциям, в то время как на отрицательной стороне происходят катодные реакции. Расходуемые металлические пластины, такие как железо или алюминий , обычно используются в качестве жертвенных электродов для непрерывного производства ионов в воде. Высвобождаемые ионы нейтрализуют заряды частиц и тем самым инициируют коагуляцию. Высвобождаемые ионы удаляют нежелательные загрязняющие вещества либо путем химической реакции и осаждения, либо путем объединения коллоидных материалов, которые затем могут быть удалены флотацией. Кроме того, поскольку вода, содержащая коллоидные частицы, масла или другие загрязняющие вещества, перемещается через приложенное электрическое поле, может происходить ионизация , электролиз, гидролиз и образование свободных радикалов , которые могут изменять физические и химические свойства воды и загрязняющих веществ. В результате реактивное и возбужденное состояние приводит к выделению загрязняющих веществ из воды и их разрушению или снижению растворимости.

Важно отметить, что технология электрокоагуляции не может удалить бесконечно растворимые вещества. Поэтому ионы с молекулярным весом меньше Ca ⁺² или Mg ⁺² не могут быть диссоциированы из водной среды.

Реакции внутри реактора электрокоагуляции

В реакторе электрокоагуляции независимо друг от друга происходят несколько различных электрохимических реакций. Это:

• Образование затравки , происходящее в результате анодного восстановления ионов металлов, которые становятся новыми центрами для более крупных, стабильных, нерастворимых комплексов, выпадающих в осадок в виде сложных ионов металлов.
• Разрушение эмульсии , происходящее в результате связывания ионов кислорода и водорода с рецепторными участками воды молекул эмульгированной нефти, создавая нерастворимый в воде комплекс, отделяющий воду от нефти, бурового раствора, красителей, чернил, жирных кислот и т. д. ^{[9] [10]}
• Образование галогенных комплексов , когда ионы металлов связываются с хлорами в молекуле хлорированного углеводорода, что приводит к образованию большого нерастворимого комплекса, отделяющего воду от пестицидов , гербицидов , хлорированных ПХБ и т. д.
• Отбеливание ионами кислорода, образующимися в реакционной камере, окисляет красители, цианиды , бактерии , вирусы , биологически опасные вещества и т. д. Затопление электродов электронами приводит к образованию ионов, переносящих заряд в воду, тем самым устраняя полярный эффект водного комплекса, позволяя коллоидным материалам выпадать в осадок, а контролируемый током перенос ионов между электродами создает осмотическое давление, которое обычно разрушает бактерии, цисты и вирусы.
• Реакции окисления и восстановления принудительно доводятся до своей естественной конечной точки в реакционном резервуаре, что ускоряет естественный процесс природы, происходящий в мокрой химии, где градиенты концентрации и продукты растворимости (KsP) являются основными факторами, позволяющими реакциям достигать стехиометрического завершения.
• Электрокоагуляция вызывает колебания pH в сторону нейтрального значения.

Оптимизация реакций

Тщательный выбор материала реакционного резервуара имеет важное значение наряду с контролем тока, расхода и pH . Электроды могут быть изготовлены из железа, алюминия, титана , графита или других материалов, в зависимости от очищаемых сточных вод и удаляемых загрязняющих веществ. Температура и давление, по-видимому, оказывают лишь незначительное влияние на процесс.

В процессе EC смесь воды и загрязняющих веществ разделяется на плавающий слой, богатый минералами флокулированный осадок и чистую воду. Плавающий слой обычно удаляется с помощью переливного водослива или аналогичного метода удаления. Агрегированная флокулированная масса оседает либо в реакционном сосуде, либо в последующих отстойниках под действием силы тяжести.

После удаления в резервуар для сбора шлама он обычно обезвоживается до полусухого кека с помощью механического винтового пресса. Чистая, очищенная (надсадочная) вода обычно затем перекачивается в буферный резервуар для последующей утилизации и/или повторного использования в назначенном процессе завода.

Преимущества

• Для EC требуется простое оборудование, он прост в эксплуатации и обладает достаточной эксплуатационной свободой для решения большинства проблем, возникающих в процессе эксплуатации.
• Сточные воды, очищенные с помощью EC, дают приятную на вкус, прозрачную, бесцветную и не имеющую запаха воду. ^{[ необходима цитата ]}
• Осадок, образующийся при электролизе, обычно легко затвердевает и легко обезвоживается по сравнению с обычными осадками квасцов или гидроксида железа, поскольку в основном металлические оксиды/гидроксиды не имеют остаточного заряда. ^{[ необходима ссылка ]}
• Хлопья, образуемые EC, похожи на химические хлопья, за исключением того, что EC-хлопья, как правило, намного крупнее, содержат меньше связанной воды, устойчивы к кислотам и более стабильны, и поэтому их можно быстрее отделить путем фильтрации. ^[11]
• EC может производить стоки с меньшим содержанием TDS по сравнению с химической обработкой, особенно если ионы металлов могут быть осаждены в виде гидроксидов или карбонатов (например, магния и кальция). EC обычно оказывает незначительное влияние на ионы натрия и калия в растворе, если вообще влияет. ^{[ необходима цитата ]}
• Преимущество процесса EC заключается в удалении мельчайших коллоидных частиц, поскольку приложенное электрическое поле нейтрализует любой остаточный заряд, тем самым облегчая коагуляцию. ^[12]
• Процесс EC, как правило, позволяет избежать чрезмерного использования химикатов, поэтому снижается необходимость в нейтрализации избыточных химикатов и снижается вероятность вторичного загрязнения, вызванного химическими веществами, добавляемыми в высокой концентрации, как при использовании химической коагуляции сточных вод. ^{[ необходима ссылка ]}
• Пузырьки газа, образующиеся в процессе электролиза, могут легко переносить загрязняющие компоненты на поверхность раствора, где их можно легче концентрировать, собирать и удалять с помощью моторизованного скиммера.
• Электролитические процессы в ячейке EC контролируются электрически и не имеют подвижных частей, что требует меньшего обслуживания.
• Дозирование входящих сточных вод гипохлоритом натрия способствует снижению биохимической потребности в кислороде (БПК) и последующей химической потребности в кислороде (ХПК), хотя этого следует избегать для сточных вод, содержащих высокие уровни органических соединений или растворенного аммиака (NH4+) из-за образования тригалогенированных метанов (ТГМ) или других хлорированных органических веществ . Гипохлорит натрия может быть получен электролитически в ячейке E с использованием платины и подобных инертных электродов или с использованием внешних электрохлораторов. ^[13]
• Благодаря превосходному удалению EC взвешенных твердых частиц и простоте работы EC, испытания, проведенные для Управления военно-морских исследований США , пришли к выводу, что наиболее перспективным применением EC в мембранной системе является предварительная обработка перед многомембранной системой UF/RO или микрофильтрацией /обратным осмосом (MF/RO). В этой функции EC обеспечивает защиту мембраны низкого давления, которая является более общей, чем та, которая обеспечивается химической коагуляцией, и более эффективной. EC очень эффективен для удаления ряда видов загрязнения мембраны (таких как кремний, гидроксиды щелочноземельных металлов и металлы переходной группы), а также для удаления многих видов, которые не может удалить только химическая коагуляция. (см. Refractory Organics) ^{[ необходима цитата ]}

Медицинское лечение

Аппарат для медицинской электрокоагуляции

Тонкий проволочный зонд или другой механизм доставки используется для передачи радиоволн в ткани вблизи зонда. Молекулы в ткани заставляют вибрировать, что приводит к быстрому повышению температуры, вызывая коагуляцию белков в ткани и эффективно убивая ткань. При более мощных применениях возможно полное высыхание ткани .

Смотрите также

• Перечень технологий очистки сточных вод
• Очистка промышленных сточных вод
• Коагуляция (очистка воды)

Ссылки

1. Vong, YM; Garey, DG (2014). Очистка сточных вод электрокоагуляцией. В: Kreysa, G., Ota, Ki., Savinell, RF (ред.) Encyclopedia of Applied Electrochemistry. Springer, New York, NY. doi :10.1007/978-1-4419-6996-5_137.
2. Эбба, М.; Асаитамби, П.; Алемайеху, Э. (2021). «Исследование рабочих параметров и стоимости с использованием процесса электрокоагуляции для очистки сточных вод». Appl Water Sci . 11 (175): 175. Bibcode :2021ApWS...11..175E. doi : 10.1007/s13201-021-01517-y . S2CID  239460756.
3. Нолинг, Кэлвин (01.07.2004). «Новая система электрокоагуляции решает проблемы промышленных ливней и промывочных вод». WaterWorld. Корпорация PennWell.
4. Родригес Дж., Стопич С., Краузе Г., Фридрих Б. (2007). «Оценка осуществимости электрокоагуляции для новой устойчивой очистки сточных вод». Environmental Science and Pollution Research . 14 (7): 477–482. Bibcode : 2007ESPR...14..477R. doi : 10.1065/espr2007.05.424. PMID  18062479. S2CID  1694182.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
5. Лай, CL, Лин, SH 2003. «Очистка сточных вод после химико-механической полировки методом электрокоагуляции: производительность системы и характеристики осаждения ила». Chemosphere Архивировано 06.09.2008 в Wayback Machine 54 (3), январь 2004 г., стр. 235-242.
6. Аль-Шаннаг, Мохаммад; Аль-Кода, Закария; Бани-Мельхем, Халид; Ктайшат, Мохаммед Расул; Алькасрави, Малек (январь 2015 г.). «Удаление ионов тяжелых металлов из сточных вод металлургического производства с использованием электрокоагуляции: кинетическое исследование и эксплуатационные характеристики процесса». Chemical Engineering Journal . 260 : 749–756. Bibcode : 2015ChEnJ.260..749A. doi : 10.1016/j.cej.2014.09.035.
7. Бенефилд, Ларри Д.; Джадкинс, Джозеф Ф.; Вианд, Баррон Л. (1982). Химия технологических процессов для очистки воды и сточных вод . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall. стр. 212. ISBN 978-0-13-722975-8.
8. Войтович, Дэвид Л.; Далримпл, К. В.; Бриттон, М. Г. (весна 1993 г.). «Электрокоагуляция (CURE) очистки льяльных вод кораблей для береговой охраны США на Аляске». Журнал общества морских технологий . 27 (1): 92. ISSN  0025-3324.
9. Mohamud, Abdihakem Abdi; Çalışkan, Yasemin; Bektaş, Nihal; Yatmaz, H. Cengiz (2018-03-20). «Исследование очистки сточных вод судостроительного завода с использованием процесса электрокоагуляции с алюминиевыми электродами». Separation Science and Technology . 53 (15): 2468–2475. doi :10.1080/01496395.2018.1449860. ISSN  0149-6395. S2CID  103513313.
10. de Santana, Marcela Marcondes; Zanoelo, Everton Fernando; Benincá, Cristina; Freire, Flavio Bentes (май 2018 г.). «Электрохимическая очистка сточных вод хлебопекарной промышленности: экспериментальное и модельное исследование». Безопасность процессов и защита окружающей среды . 116 : 685–692. doi :10.1016/j.psep.2018.04.001. ISSN  0957-5820.
11. Аль-Шаннаг, Мохаммад; Бани-Мельхем, Халид; Аль-Анбер, Заид; Аль-Кода, Закария (январь 2013 г.). «Улучшение удаления питательных веществ ХПК и фильтруемости муниципальных сточных вод, поступающих во вторичный отстойник, с использованием метода электрокоагуляции». Separation Science and Technology . 48 (4): 673–680. doi :10.1080/01496395.2012.707729. S2CID  96296062.
12. Аль-Шаннаг, Мохаммад; Бани-Мельхем, Халид; Аль-Анбер, Заид; Аль-Кода, Закария (2013). «Улучшение удаления питательных веществ ХПК и фильтруемости муниципальных сточных вод, поступающих во вторичный отстойник, с использованием метода электрокоагуляции». Separation Science and Technology . 48 (4): 673–680. doi :10.1080/01496395.2012.707729. S2CID  96296062.
13. Бюро по рекультивации США. Юма, Аризона. «Исследовательские учреждения и испытательное оборудование — исследовательские подразделения по химии». Архивировано 09.09.2015 на Wayback Machine. Обновлено 27.07.2012.