Электрофлотация, электрофорез, электродиализ

Химические аспекты применения электролиза для очистки сточных вод подробно рассмотрены в разделе, посвященном химическим методам очистки. Ниже рассмотрены такие, основанные на электролизе методы, как электрофлотация, электрофорез и электродиализ.[84-86]

При электрофлотации на катоде и аноде образуются пузырьки водорода и кислорода, которые оказывают флотационное действие. Прилипая к частицами дисперсной фазы, пузырьки поднимают их на поверхность.

Очистка воды электрофорезом и электродиализом основана на использовании направленного движения ионов и заряженных частиц в процессе электролиза. Осуществляют такую очистку с помощью селективных ионообменных мембран (электродиализ) или фильтрующих материалов (электрофорез).

Электродиализная обработка сточных вод и их электролиз с использованием ионообменных мембран могут применяться для обработки как высоко-, так и мало-концентрированных сточных вод. В этом случае возможна регенерация ценных продуктов из высококонцентрированных сточных вод. Относительно высокий удельный расход электроэнергии компенсируется стоимостью регенерированных продуктов (особенно при регенерации едкой щелочи и дорогостоящих минеральных кислот).

Существуют методы регенерации серной кислоты и металлического железа, азотной и плавиковой кислот из сточных вод, образующихся при травлении углеродистых и легированных сталей; хромовой, фосфорной и серной кислот из отработанных растворов процессов хромирования, анодирования и электрополирования; едкой щелочи и кристаллического гидроксида алюминия из стоков щелочного травления изделий из алюминиевых сплавов.

Использование основанных на электролизе методов для обработки малоконцентрированных сточных вод основано на их деминерализации (обессоливании) с повторным использованием очищенных вод в производстве и попутном извлечении из сточных вод некоторых ценных продуктов. Применение этого способа оправдано при высоких требованиях к качеству сточных вод, сбрасываемых в водоемы. Деминерализация сточных вод методом электродиализа требует их большой расход (сотни кубометров в сутки). Основными недостатками способа являются относительно высокий расход электроэнергии и необходимость удаления концентрированных растворов минеральных солей при невозможности их использования. Электродиализное обессоливание воды находит применение при создании замкнутых систем водоиспользования на предприятиях.

Наибольшее распространение из всех электрохимических методов получили методы электрокоагуляции. При электролизе сточных вод с применением анодов из листовой стали или алюминия вода обогащается соответствующими ионами, образующими затем гидроксиды этих металлов. Под их действием происходит процесс коагуляции содержащихся в воде высокодисперсных веществ, аналогичный процессу обработки воды соответствующими солями алюминия или железа. Однако в отличие от применения солевых коагулянтов, при электрокоагуляции вода не загрязняется сульфат- или хлорид-ионами. При электролизе сточных вод одновременно протекают другие физико-химические процессы: электрофорез; катодное восстановление растворенных веществ и их химическое восстановление ионами Fe²⁺, a также образование катодных осадков металлов; химические реакции между ионами Fe⁺ и А1³⁺, выделяющимися при электролитическом растворении металлических анодов, и некоторыми содержащимися в воде ионами (S^2-, Р0₄^3- и др.), в результате чего образуются нерастворимые в воде соли, выпадающие в осадок; флотация плавающих частиц пузырьками газообразного водорода, выделяющимися на катоде (электро-флотацйя). Кроме того, происходит сорбция ионов и молекул растворенных веществ, а такжеих эмульгирование на поверхности хлопьев гидроксидов железа и алюминия. В отдельных случаях только совместное протекание электрофореза и электрокоагуляции обеспечивает успешную очистку сточных вод,

Основная область применения электрокоагуляции в сочетании с электрофлотацией или без нее — удаление из сточных вод нерастворенных высокодисперсных веществ, образующих в воде коллоидные системы. Значительно уже область применения электрокоагуляции для удаления из воды истинно растворенных примесей. В основном, это примеси, образующие с ионами Fe2+ и AI3+ нерастворимые в воде соединения, выпадающие в осадок, а также хромат-ионы и некоторые другие примеси.

Вымораживание

Технология обезвоживания осадков путем замораживания – отстаивания основана на улучшении водоотдающей способности осадков за счет перераспределения форм связи при фазовом превращении. Наблюдаемый в процессе замораживания эффект носит необратимый характер, после оттаивания водоотдающая способность осадков возрастает в десятки раз, что позволяет успешно проводить их обезвоживание [87].

В естественных условиях обработку осадков холодом осуществляют на площадках обезвоживания. Основным недостаток естественного замораживания является малая глубина промерзания в результате резкого снижения интенсивности теплопередачи по мере увеличения толщины слоя. Для интенсификации теплообмена между воздухом и осадком осуществляют либо намораживание осадка слоями в 10—20 см, либо послойную срезку замороженного осадка.

Когда местные условия не позволяют эффективно обрабатывать осадок в естественных условиях, переходят на использование искусственного холода, в смесительных или рекуперативных теплообменных аппаратах. В РФ существуют технология и установки для непрерывного тонкослойного замораживания-оттаивания осадков природных вод. Толщина замораживаемого слоя в этих установках составляет 1—3 мм, плотность теплового потока при замораживании не превышает 10 кВт/м² [87].

Для осадков муниципальных сточных вод запатентован метод обезвоживания путем послойного вымораживания в присутствии флокулянта [88]. Метод включает гравитационное уплотнение осадка, его послойное замораживание, оттаивание, отвод талой воды и подсушку осадка в естественных условиях. Все стадии обезвоживания осадка осуществляют в одной иловой площадке, в которой находится сфлокулированный осадок. Используют флокулянт на основе полиэтиленоксида с молекулярной массой не менее 1·10⁶, например флокулянт «Сибфлок®».

Высокая степень водоотдачи сфлокулированного осадка и непрерывный отвод воды обеспечивают максимальное обезвоживание осадка на площадке до замерзания. При низких температурах твердые частицы концентрируются внизу слоя, а вода вверху замерзает. Вымораживание влаги происходит в виде игольчатой структуры льда, периодическое удаление которого будет способствовать более эффективному протеканию этого процесса.

Метод разработан для обезвоживания муниципальных стоков, однако ряд иркутских ученых считает, что в том или ином варианте послойное вымораживание можно применить и для обезвоживания шлам-лигнина в картах-накопителях БЦБК [89].