Электричество уже применялось для очистки воды в течение последних десятилетий, но технологические ограничения и высокие эксплуатационные затраты в сравнении с другими способами обработки не позволили полномасштабно применять электричество в качестве основного метода очистки сточных вод. Однако ужесточение экологических ограничений на сброс сточных вод стало отличным стимулом для развития технологий электрохимической очистки воды (ЭХОВ).
Принцип, лежащий в основе технологий ЭХОВ, весьма прост: электроды используются для воздействия на воду электрическим током с целью получения требуемой реакции. Несмотря на всю простоту, предсказать результат такого воздействия весьма сложно, поскольку процесс протекает на стыке гидро- и электрохимии.
Различные виды ЭХОВ
Технологии ЭХОВ можно условно разделить на три различных вида:
- электрокоагуляция (ЭК);
- электрофлотация (ЭФ);
- электроокисление (ЭО).
Однако четкой градации между этими видами нет, а некоторые авторы используют данные термины как синонимы, поэтому при чтении соответствующей литературы нужно быть особенно внимательным.
Наиболее известным из перечисленных методов является электрокоагуляция, при котором электричество используется для растворения металла из одноразового электрода (анода) в очищаемую воду. После чего растворенный метал вступает в реакцию как с примесями в воде, так и с самой водой, что приводит к коагуляции. При ЭХОВ в воду не добавляются соли, как при традиционной очистки осаждением. Наиболее распространенными материалами электродов для ЭК являются железо и алюминий благодаря их подтвержденной эффективности, невысокой стоимости и доступности.
В электроокислении в качестве анода используется инертный электрод, покрытый, например, титаном, или электрод из легированного бором алмаза. При ЭО вместо реакции растворения происходит образование кислорода в результате электрической диссоциации воды. В некоторых случаях возможно образования хлора, однако он легко вступает в реакцию с гипохлоритом, который ведет себя как сильный окислитель, повышая эффективность процесса.
Газы, выделяющиеся на электродах во время диссоциации воды при ЭХОВ, можно использовать для флотации образовавшихся частиц в случае ЭК или других примесей в воде. Этот процесс называется электрофлотацией. Обычно ЭФ рассматривается как часть ЭК или ЭО, однако она может использоваться в виде отдельного процесса.
Целевое применение ЭХОВ
В последнее время процессы ЭХОВ были изучены в различных отраслях и с учетом различных примесей. Наиболее популярным направлением исследований является удаление ионов металлов / гидроксидов, масел и органических веществ. В целом, по сравнению с традиционными методами очистки осаждением, технология ЭХОВ становится более конкурентоспособной по мере снижения концентрации примесей.
Основной потенциал технологии ЭХОВ заключается в доочистке сточных вод от веществ, которые трудно удалить при традиционной очистке методами осаждения, например, от таких оксианионов, как мышьяка, сурьма и селен, или остатков таких металлов, как кадмий, никель и медь.
Факторы, влияющие на ЭХОВ
Основными факторами, влияющими на ЭХОВ, являются плотность тока или подаваемый ток, а также время пребывания в камере или расход. Под полностью тока [А/м2] понимается количество тока, подаваемого на площадь поперечного сечения электрода; кроме того, это основной фактор, определяющий, какие электрохимические реакции будут происходить на поверхности электрода. От плотности тока также зависит интенсивность растворения электрода, образование пузырьков и потенциал в камере, поэтому рентабельность процесса очистки сильно зависит от этого фактора.
Загрузка материала [C/м3, As/м3] определяет количество электрической энергии, подаваемой на электролит по объему. Она прямо пропорциональна количеству растворенного электрода, и от нее зависит дозировка металла. Загрузка материала состоит из подаваемого тока и расхода, совмещая оба основных параметра техпроцесса. Также можно сказать, что загрузка материала является уровнем очистки технологического процесса.
Технология ЭХОВ подтвердила свою эффективность в широком диапазоне температуры и pH. Кроме того, процесс ЭХОВ естественным образом повышает уровень pH до слабощелочного (pH 8-9), нейтрализуя раствор и позволяя, как правило, выполнять прямой сброс. При проектировании системы ЭХОВ следует учитывать, что алюминиевые электроды легче поддаются пассивации при определенных уровнях pH, а электроды из железа более гибкие.
Окончательный уровень подаваемого тока и расхода зависит от состава очищаемой воды и требований к очистке. Поэтому проектирование и оптимизация процесса ЭХОВ должны выполняться с учетом определенной цели. Помимо этого, концентрации ионов (т.е. примесей) воздействуют на электропроводность воды и определяют напряжение системы и расходы на очистку.
Результаты и стоимость технологии ЭХОВ
Во всех следующих примерах уровень очистки означает загрузку материала. Как уже было сказано, наиболее эффективное применение технологии ЭХОВ — доочистка. Если изначально концентрация примесей составляет менее 10 мг/л, можно ожидать, что после обработки воды остаточный уровень примесей будет составлять 20 мкг/л. На Рис. 2 представлен пример воды, которая хорошо подходит для технологии ЭХОВ. Изначально в воде было не так много примесей, однако предел в сточных водах по никелю составляет 20 мкг/л.
