Влияние напряженности электрического поля на границе раздела фаз на степень очистки воды от ионов металлов

Введение. В производстве деталей летательных аппаратов применяются гальванические процессы, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов. В настоящее время существует большое количество способов очистки воды и водных растворов: механические, химические, электрические, физические, биологические, комбинированные и др. [1]. Например, для очистки воды от железа эффективно используется отстаивание, для очистки от меди, никеля, хрома (VI) широко применяют электрокоагуляцию, ионообменные технологии, биологическую очистку и т. д. Сточные воды гальванических производств содержат совокупность различных ионов металлов при концентрации последних 0,5 мг/л и менее. Исследований по комплексной очистке воды от ионов металлов при таких условиях недостаточно.

В данной работе представлены результаты экспериментальных исследований очистки воды от ионов металлов с использованием нерастворимых разнородных электродов при барботировании воздухом.

Из литературных источников [2–11] известно, что процесс очистки идет сверху раствора, что обусловлено тем, что на границе раздела двух фаз (воздух– раствор) можно выделить пограничный слой, так называемую поверхностную или пограничную фазу. Она обладает избытком свободной энергии по сравнению с каждой из граничащих фаз. Отношение этой энергии на единицу площади связано с силой поверхностного натяжения. Процесс очистки в верхних слоях идет быстрее, чем в нижних, что связано с нерав- номерным распределением напряженности электрического поля на границе раздела фаз [3].

Модуль вектора напряженности и его составляющие для различных углов смачивания воды материала электродов рассчитываются по формулам [4]

E n = (1 + (cos² θ/10)) ∙ ( E cp /ξ) ∙ sin α, (1)

E t = (1 + (cos² θ/10)) ∙ E cp ∙ cos α, (2)

E = (1 + (cos² θ/10)) ∙ E cp ∙ ((sin² α/ξ) + cos² α)^0,5, (3) где E n , E t – нормальная и тангенциальная составляющие модуля вектора напряженности, В/м; Е – модуль вектора напряженности электрического поля на границе раздела фаз в произвольной точке поверхности, В/м; Е _ср – средняя напряженность электрического поля, В/м, равная

Е ср = U / d , (4)

где U – напряжение на клеммах электродов, В; d – межэлектродное расстояние, м; ξ – относительная диэлектрическая проницаемость воды; θ – угол смачивания воды материала электродов; α – угловая координата выбранной точки на границе раздела фаз.

Результаты расчета модуля вектора напряженности и его составляющих по формулам (1)–(4) для случая полного (θ = 0о) и неполного смачивания воды материала электродов (θ = 90о) приведены в табл. 1.

Зависимость модуля вектора напряженности электрического поля от угла α при различных углах θ представлена на рис. 1.

Значения модуля вектора напряженности и его составляющих при различных углах θ и α

Таблица 1

№ п/п	θ, °	α, °	E n , В/м	Е t , В/м	E , В/м	Примечание
1	0	0	0	513,4	513,4	d H —        И1 6 = 0° , OmA/      у a I X	α max = 90о
		30	3,2	444,6	444,6
		60	5,5	256,7	256,7
		90	6,3	0	6,3

Окончание табл. 1

№ п/п	θ, °	α, °	E n , В/м	Е t , В/м	E , В/м	Примечание
2	90	–	–	–	466,7	d| ______Y 6 = 90° X	Е = Е ср

Модуль вектора напряженности электрического поля, В/м

Угловая координата выбранной точки на границе раздела фаз, град

Рис. 1. Зависимость модуля вектора напряженности электрического поля от угла α при различных углах θ:

1 – полное смачивание воды (θ = 00); 2 – неполное смачивание воды (θ = 00)

Из рис. 1 видно, что напряженность электрического поля на границе раздела фаз распределена неравномерно. Максимальное значение напряженности достигается при краевом угле смачивания θ = 0о в точке с угловой координатой на границе раздела фаз α = 0о. Плотность тока пропорциональна напряженности электрического поля, согласно формулe [2; 3]:

i = χ E, где χ – электропроводность воды. В свою очередь, степень очистки пропорциональна плотности тока, следовательно, наибольшая степень очистки достигается при краевом угле смачивания θ = 0о в точке с угловой координатой на границе раздела фаз α = 0о.

Результаты экспериментальных исследований. Методика проведения экспериментов и принципиальная схема экспериментальной установки приведены в [12–16]. Далее представлены результаты исследований двух способов очистки – электрохимического и электрохимического с барботажем.

Результаты расчетов полученных экспериментальных данных представлены в табл. 2 и на рис. 2.

Удельные энергозатраты при электрохимическом способе очистки воды составили W э = 0,47 (кВт·ч)/м³, а при электрохимическом способе с барботажем воздухом W = 1,8 (кВт·ч)/м³. Удельное количество пропускаемого через воду электричества Q = 300 Кл/л.

Таблица 2

Влияние способа очистки воды на степень очистки от ионов металлов

Ион металла	Способ очистки
	Электрохимический	Электрохимический с барботажем
	Степень очистки, %
Cd2+	12,07	34,54
Cu 2+	34,25	37,25
Ni2+	3,31	16,39
Cr 6+	7,17	8,63
Fe (общ.)	13,47	14,99

Рис. 2. Степень очистки воды от ионов металлов при различных способах очистки:

1 – электрохимический способ; 2 – электрохимический способ с барботажем воздухом

Заключение. Результаты экспериментов показывают, что барботаж воды воздухом, как видно из рис. 2, приводит к увеличению степени очистки от ионов кадмия в 2,9 раза, меди – в 1,1 раза, никеля – в 5 раз, хрома – в 1,2 раза и железа – в 1,1 раза. Удельные энергозатраты составляют 1,8 (кВт·ч)/м³. В то время как при очистке электрохимическим способом с применением нерастворимых электродов и переменного тока удельные энергозатраты составляют 3,5–4 (кВт·ч)/м³. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили литературные данные.