Elektrokoagulacja - Electrocoagulation

Elektrokoagulacja (EC) jest techniką stosowaną do oczyszczania ścieków, uzdatniania wody myjącej, wody przemysłowo przetworzonej i leczniczej. Elektrokoagulacja stała się szybko rozwijającym się obszarem oczyszczania ścieków ze względu na jej zdolność do usuwania zanieczyszczeń, które są ogólnie trudniejsze do usunięcia przez systemy filtracji lub chemicznej obróbki , takich jak zemulgowany olej, węglowodory ropopochodne ogółem , ogniotrwałe substancje organiczne, zawiesiny stałe i metale ciężkie . Dostępnych jest wiele marek urządzeń do elektrokoagulacji i mogą one mieć różny stopień złożoności, od prostej anody i katody do znacznie bardziej złożonych urządzeń z kontrolą potencjałów elektrod, pasywacją, zużyciem anod, potencjałami REDOX ogniwa, a także wprowadzaniem dźwięku ultradźwiękowego, światła ultrafioletowego oraz szereg gazów i reagentów w celu uzyskania tak zwanych zaawansowanych procesów utleniania dla ogniotrwałych lub opornych substancji organicznych.

Leczenie

Elektrokoagulacja
Siatka D004564

Sonda z cienkiego drutu lub inny mechanizm dostarczania służy do przesyłania fal radiowych do tkanek w pobliżu sondy. Cząsteczek w tkance drganiom, co prowadzi do szybkiego wzrostu temperatury, powodując krzepnięcie z białek w tkance i skutecznie zabija tkanki. W zastosowaniach o większej mocy możliwe jest pełne wysuszenie tkanki.

Uzdatnianie wody

Dzięki najnowszym technologiom, zmniejszeniu zapotrzebowania na energię elektryczną i miniaturyzacji potrzebnych źródeł zasilania, systemy EC stały się dostępne dla stacji uzdatniania wody i procesów przemysłowych na całym świecie.

tło

Elektrokoagulacja („elektro”, co oznacza przyłożenie ładunku elektrycznego do wody, oraz „koagulacja”, czyli proces zmiany ładunku powierzchni cząstek, pozwalający zawiesinie na utworzenie aglomeracji) to zaawansowana i ekonomiczna technologia uzdatniania wody. Skutecznie usuwa zawieszone ciała stałe do poziomów poniżej mikrometra, rozbija emulsje, takie jak olej i tłuszcz lub lateks, a także utlenia i usuwa metale ciężkie z wody bez użycia filtrów lub dodatku chemikaliów do separacji

Znany jest szeroki zakres technik oczyszczania ścieków, w tym procesy biologiczne do nitryfikacji , denitryfikacji i usuwania fosforu , a także szereg procesów fizyko-chemicznych, które wymagają chemicznego dodawania. Powszechnie stosowane procesy fizykochemicznego oczyszczania to filtracja , odpędzanie powietrza , wymiana jonowa , strącanie chemiczne, utlenianie chemiczne , adsorpcja węgla , ultrafiltracja (UF), odwrócona osmoza (RO), elektrodializa , ulatnianie i odpędzanie gazu.

Korzyści

  • Filtracja mechaniczna rozwiązuje tylko dwa problemy w wodzie do mycia statywów: zawiesiny stałe większe niż 30 µm oraz wolny olej i tłuszcz. Zemulgowany olej i smar powodują uszkodzenie filtrów mediów, powodując wysokie koszty konserwacji. Elektrokoagulacja jest przeznaczona dla zawieszonych ciał stałych dowolnej wielkości (w tym niszczących cząstek> 30 µm i metali ciężkich, które mogą powodować zużycie myjek ciśnieniowych i stanowić zagrożenie dla środowiska i pracowników).
  • Obróbka chemiczna dotyczy zawieszonych ciał stałych, olejów i smarów oraz niektórych metali ciężkich, ale może wymagać do trzech polimerów i wielokrotnych korekt pH w celu właściwej obróbki. Ta technologia wymaga dodawania chemikaliów, co powoduje kosztowne, nieporządne i pracochłonne leczenie. Proces ten wymaga również dodania sprężonego powietrza do flotacji skoagulowanych zanieczyszczeń. Zasadniczo filtracja jest również wymagana jako faza obróbki końcowej do polerowania. Elektrokoagulacja nie wymaga filtrów, codziennej konserwacji, żadnych dodatków i usuwa zawieszone ciała stałe, oleje, smary i metale ciężkie dowolnej wielkości.

Technologia

Oczyszczanie ścieków i wody popłucznej przez EC było praktykowane przez większość XX wieku z rosnącą popularnością. W ostatnim dziesięcioleciu technologia ta była coraz częściej stosowana w Stanach Zjednoczonych, Ameryce Południowej i Europie do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających metale. Zauważono również, że w Ameryce Północnej EC była używana głównie do oczyszczania ścieków z przemysłu celulozowo-papierniczego , górnictwa i przemysłu metalurgicznego . Zastosowanie dużej wieży chłodniczej z prędkością jednego tysiąca galonów na minutę w El Paso w Teksasie ilustruje rosnącą popularność i akceptację elektrokoagulacji w społeczności przemysłowej. Ponadto EC została zastosowana do oczyszczania wody zawierającej odpady żywnościowe , odpady olejowe, barwniki, produkty z transportu publicznego i przystani, wodę do mycia, tusz, cząstki zawieszone , odpady z chemicznego i mechanicznego polerowania, materię organiczną z odcieków ze składowisk , defluorowanie wody, ścieki z syntetycznych detergentów oraz roztwory zawierające metale ciężkie.

Proces koagulacji

Koagulacja jest jedną z najważniejszych reakcji fizjochemicznych stosowanych w uzdatnianiu wody. Jony (metale ciężkie) i koloidy (organiczne i nieorganiczne) są przeważnie utrzymywane w roztworze przez ładunki elektryczne. Dodatek jonów o przeciwnych ładunkach destabilizuje koloidy, umożliwiając im koagulację. Koagulację można osiągnąć za pomocą koagulantu chemicznego lub metodami elektrycznymi. Ałun [Al 2 (SO 4 ) 3 . 18 H 2 O ] jest taką substancją chemiczną, która od wieków jest szeroko stosowana do oczyszczania ścieków.

Mechanizm krzepnięcia jest przedmiotem ciągłego przeglądu. Ogólnie przyjmuje się, że koagulacja jest spowodowana przede wszystkim redukcją ładunku powierzchniowego netto do punktu, w którym cząstki koloidalne, wcześniej stabilizowane przez odpychanie elektrostatyczne, mogą zbliżyć się wystarczająco blisko, aby siły van der Waalsa utrzymywały je razem i umożliwiały agregację. Zmniejszenie ładunku powierzchniowego jest konsekwencją obniżenia potencjału odpychania podwójnej warstwy elektrycznej przez obecność elektrolitu o przeciwnym ładunku. W procesie EC koagulant powstaje in situ poprzez elektrolityczne utlenianie odpowiedniego materiału anodowego . W tym procesie naładowane formy jonowe - metale lub inne - są usuwane ze ścieków przez umożliwienie im reagowania z jonami o przeciwnym ładunku lub kłaczkami wodorotlenków metali wytwarzanych w ściekach.

Elektrokoagulacja stanowi alternatywę dla stosowania soli metali lub polimerów oraz dodatku polielektrolitu do rozbijania stabilnych emulsji i zawiesin . Technologia usuwa metale, koloidalne ciała stałe i cząsteczki oraz rozpuszczalne zanieczyszczenia nieorganiczne z mediów wodnych poprzez wprowadzenie silnie naładowanych polimerycznych postaci wodorotlenków metali. Substancje te neutralizują ładunki elektrostatyczne zawieszonych ciał stałych i kropelek oleju, aby ułatwić aglomerację lub koagulację i wynikające z tego oddzielenie od fazy wodnej. Zabieg powoduje wytrącanie się niektórych metali i soli.

„Koagulacja chemiczna jest stosowana od dziesięcioleci do destabilizacji zawiesin i wytrącania rozpuszczalnych gatunków metali, a także innych związków nieorganicznych ze strumieni wodnych, umożliwiając w ten sposób ich usuwanie przez sedymentację lub filtrację. Ałun, wapno i / lub polimery były substancjami chemicznymi stosowane koagulanty. Procesy te mają jednak tendencję do generowania dużych ilości osadu o dużej zawartości wody związanej, który może być powolny do filtrowania i trudny do odwodnienia. Te procesy oczyszczania mają również tendencję do zwiększania całkowitej zawartości rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w ściekach, co czyni go niedopuszczalnym do ponownego wykorzystania w zastosowaniach przemysłowych ”.

„Chociaż mechanizm elektrokoagulacji przypomina koagulację chemiczną w tym sensie, że cząsteczki kationowe są odpowiedzialne za neutralizację ładunków powierzchniowych, charakterystyka elektrokoagulowanych kłaczków różni się znacznie od tych generowanych przez koagulację chemiczną. Stado poddane elektrokoagulacji zwykle zawiera mniej związanej wody, jest bardziej ścinane odporny i łatwiejszy do filtrowania "

Opis

W najprostszej postaci reaktor do elektrokoagulacji składa się z ogniwa elektrolitycznego z jedną anodą i jedną katodą . Po podłączeniu do zewnętrznego źródła zasilania materiał anody będzie korodował elektrochemicznie w wyniku utleniania, podczas gdy katoda zostanie poddana pasywacji .

System EC zasadniczo składa się z par równoległych par przewodzących metalowych płytek, które działają jak elektrody monopolarne . Ponadto wymaga źródła prądu stałego , skrzynki oporowej do regulacji gęstości prądu i multimetru do odczytu wartości prądu. Przewodzące metalowe płytki są powszechnie znane jako „elektrody protektorowe”. Anoda protektorowa obniża potencjał rozpuszczania anody i minimalizuje pasywację katody. Anody i katody protektorowe mogą być z tego samego materiału lub z różnych materiałów.

Układ elektrod monopolarnych z ogniwami połączonymi szeregowo jest elektrycznie podobny do pojedynczego ogniwa z wieloma elektrodami i połączeniami. W układzie szeregowym dla danego prądu wymagana jest większa różnica potencjałów, ponieważ ogniwa połączone szeregowo mają większą rezystancję. Jednak ten sam prąd przepływałby przez wszystkie elektrody. W przeciwieństwie do tego, w układzie równoległym lub dwubiegunowym prąd elektryczny jest dzielony między wszystkie elektrody w zależności od rezystancji poszczególnych ogniw, a każda powierzchnia na elektrodzie ma inną biegunowość.

Podczas elektrolizy strona dodatnia ulega reakcjom anodowym, natomiast po stronie ujemnej reakcje katodowe. Zużywalne metalowe płytki, takie jak żelazo lub aluminium , są zwykle używane jako elektrody protektorowe do ciągłego wytwarzania jonów w wodzie. Uwolnione jony neutralizują ładunki cząstek i tym samym inicjują koagulację. Uwolnione jony usuwają niepożądane zanieczyszczenia albo poprzez reakcję chemiczną i wytrącanie, albo przez powodowanie koalescencji materiałów koloidalnych, które można następnie usunąć na drodze flotacji. Ponadto, gdy woda zawierająca cząstki koloidalne, oleje lub inne zanieczyszczenia przemieszczają się przez przyłożone pole elektryczne, może wystąpić jonizacja , elektroliza, hydroliza i tworzenie się wolnych rodników, które mogą zmieniać fizyczne i chemiczne właściwości wody i zanieczyszczeń. W rezultacie stan reaktywny i wzbudzony powoduje uwolnienie zanieczyszczeń z wody i zniszczenie lub zmniejszenie ich rozpuszczalności.

Należy zauważyć, że technologia elektrokoagulacji nie może usunąć materii rozpuszczalnej w nieskończoność. Dlatego jony o masach cząsteczkowych mniejszych niż Ca +2 lub Mg +2 nie mogą zostać oddzielone od środowiska wodnego.

Reakcje w reaktorze do elektrokoagulacji

W reaktorze do elektrokoagulacji zachodzi niezależnie kilka różnych reakcji elektrochemicznych. To są:

  • Zaszczepianie , wynikające z redukcji anod jonów metali, które stają się nowymi centrami dla większych, stabilnych, nierozpuszczalnych kompleksów, które wytrącają się jako złożone jony metali.
  • Rozbijanie emulsji , wynikające z jonów tlenu i wodoru, które wiążą się z miejscami receptorów wody zemulgowanych cząsteczek oleju, tworząc nierozpuszczalny w wodzie kompleks oddzielający wodę od oleju, błota wiertniczego, barwników, atramentów, kwasów tłuszczowych itp.
  • Kompleksowanie halogenów , gdy jony metali wiążą się z chlorkami w cząsteczce chlorowanego węglowodoru, w wyniku czego powstaje duży nierozpuszczalny kompleks oddzielający wodę od pestycydów , herbicydów , chlorowanych PCB itp.
  • Wybielanie przez jony tlenu wytwarzane w komorze reakcyjnej utlenia barwniki, cyjanki , bakterie , wirusy , zagrożenia biologiczne itp. Elektronowe zalewanie elektrod wymusiło tworzenie się jonów przenoszących ładunek do wody, eliminując w ten sposób polarny efekt kompleksu wodnego, umożliwiając materiały koloidalne, które wytrącają się, a kontrolowany prąd transportu jonów między elektrodami wytwarza ciśnienie osmotyczne, które zazwyczaj powoduje rozerwanie bakterii, cyst i wirusów.
  • Reakcje utleniania i redukcji są zmuszane do ich naturalnego punktu końcowego w zbiorniku reakcyjnym, co przyspiesza naturalny proces zachodzący w chemii mokrej, gdzie gradienty stężeń i produkty rozpuszczalności (KsP) są głównymi determinantami umożliwiającymi reakcjom osiągnięcie stechiometrycznego zakończenia.
  • PH indukowane elektrokoagulacją zmienia się w kierunku neutralnego.

Optymalizacja reakcji

Niezbędny jest staranny dobór materiału reaktora wraz z kontrolą prądu, natężenia przepływu i pH . Elektrody mogą być wykonane z żelaza, aluminium, tytanu , grafitu lub innych materiałów, w zależności od oczyszczanych ścieków i zanieczyszczeń, które mają być usunięte. Wydaje się, że temperatura i ciśnienie mają tylko niewielki wpływ na proces.

W procesie EC mieszanina zanieczyszczająca wodę rozdziela się na warstwę pływającą, bogaty w minerały flokulowany osad i czystą wodę. Warstwę pływającą usuwa się zazwyczaj za pomocą przelewu przelewowego lub podobnej metody usuwania. Zagregowana kłaczkowata masa osadza się w naczyniu reakcyjnym lub w kolejnych osadnikach pod wpływem siły grawitacji.

Po usunięciu do zbiornika gromadzącego szlam jest zwykle odwadniany do półsuchego placka za pomocą mechanicznej prasy śrubowej. Czysta, uzdatniona woda (supernatant) jest następnie pompowana do zbiornika buforowego w celu późniejszego usunięcia i / lub ponownego wykorzystania w wyznaczonym procesie w zakładzie.

Zalety

  • EC wymaga prostego sprzętu i jest łatwy w obsłudze z wystarczającą swobodą operacyjną, aby poradzić sobie z większością problemów napotykanych podczas pracy.
  • Ścieki oczyszczone przez EC dają smaczną, przejrzystą, bezbarwną i bezwonną wodę.
  • W porównaniu z konwencjonalnymi szlamami ałunu lub wodorotlenku żelazowego, szlam utworzony przez EC ma tendencję do łatwego osadzania się i łatwego usuwania wody, ponieważ głównie tlenki / wodorotlenki metali nie mają ładunku resztkowego.
  • Kłaczki utworzone przez EC są podobne do kłaczków chemicznych, z wyjątkiem tego, że kłaczki EC są znacznie większe, zawierają mniej związanej wody, są kwasoodporne i bardziej stabilne, a zatem można je szybciej oddzielić przez filtrację.
  • EC może wytwarzać odciek z mniejszą zawartością TDS w porównaniu z obróbką chemiczną, zwłaszcza jeśli jony metali mogą być wytrącane w postaci wodorotlenków lub węglanów (takich jak magnez i wapń. EC ogólnie ma niewielki, jeśli w ogóle, wpływ na jony sodu i potasu w roztworze).
  • Proces EC ma tę zaletę, że usuwa najmniejsze cząstki koloidalne, ponieważ zastosowane pole elektryczne neutralizuje wszelkie resztkowe ładunki, ułatwiając w ten sposób koagulację.
  • Proces EC generalnie pozwala uniknąć nadmiernego stosowania chemikaliów, a zatem istnieje mniejsze zapotrzebowanie na neutralizację nadmiaru chemikaliów i mniejsze prawdopodobieństwo wtórnego zanieczyszczenia spowodowanego substancjami chemicznymi dodawanymi w wysokim stężeniu, jak w przypadku chemicznej koagulacji ścieków.
  • Pęcherzyki gazu powstające podczas elektrolizy mogą w wygodny sposób przenosić zanieczyszczenia na górę roztworu, gdzie można je łatwiej zatężyć, zebrać i usunąć za pomocą skimmera z silnikiem.
  • Procesy elektrolityczne w ogniwie EC są sterowane elektrycznie i bez ruchomych części, co wymaga mniej konserwacji.
  • Dozowanie dopływających ścieków podchlorynem sodu wspomaga redukcję biochemicznego zapotrzebowania na tlen (BZT) i wynikającego z tego chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT), chociaż należy tego unikać w przypadku ścieków zawierających duże ilości związków organicznych lub rozpuszczonego amoniaku (NH4 +) z powodu tworzenia się trójhalogenowanych metanów ( THM) lub inne chlorowane związki organiczne . Podchloryn sodu można wytwarzać elektrolitycznie w ogniwie E przy użyciu platynowych i podobnych obojętnych elektrod lub przy użyciu zewnętrznych elektrochloratorów.
  • Ze względu na doskonałe usuwanie EC zawieszonych ciał stałych i prostotę działania EC, testy przeprowadzone dla Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych wykazały, że najbardziej obiecującym zastosowaniem EC w systemie membranowym jest wstępna obróbka systemu wielomembranowego. UF / RO lub mikrofiltracja / odwrócona osmoza (MF / RO). W tej funkcji EC zapewnia ochronę membrany niskociśnieniowej, która jest bardziej ogólna niż ta zapewniana przez koagulację chemiczną i bardziej skuteczna. EC jest bardzo skuteczny w usuwaniu wielu rodzajów zanieczyszczeń membrany (takich jak krzemionka, wodorotlenki metali ziem alkalicznych i metale z grup przejściowych), a także w usuwaniu wielu substancji, których sama koagulacja chemiczna nie jest w stanie usunąć. (patrz Ogniotrwałe Organiczne )

Zobacz też

Bibliografia