Влияние постоянного электрического поля на адсорбционную очистку воды от ионов железа

Введение. В производстве ракетно-космической техники применяются гальванические технологии, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов. Известные методы очистки сточных вод не позволяют обеспечить предельно-допустимую концентрацию ионов металлов в очищенной воде либо являются дорогостоящими или сложными в эксплуатации в промышленности. Одним из часто встречающихся загрязняющих компонентов является ионы железа, входящего в состав сточных вод большинства отраслей промышленности, что требует повышенного контроля и разработки эффективных методов очистки сточных вод. Разработка метода очистки промышленных сточных вод от металлов является актуальным направлением исследования и предполагает наличие не только высокого результата очистки, но и оптимальных параметров при внедрении в технологический процесс [1; 2], что включает расходы на электроэнергию, расходные материалы и время обработки.

Методика проведения эксперимента. Исследование влияния постоянного электрического поля на адсорбционную очистку воды от ионов железа проводили в ячейке с использованием пар пластинчатых электродов (рис. 1). Ячейка выполнена из диэлектрического материала в виде цилиндрической трубы, в которой поочерёдно установлены анод и катод. Электроды выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (4 пластины толщиной 1 мм каждая). Межэлектродное расстояние 12 и 25 мм. В пространство между электродами засыпали сорбенты (кварцевый песок или природные цеолиты). Электроды подключали параллельно к источнику постоянного тока. Объем обрабатываемой воды 1 л. На клеммы электродов подавали напряжение и пропускали воду безнапорным способом в течение 1 мин. при стабилизации силы тока 0,025 А и напряжении на клеммах электродов от 18 до 62 В. В воде растворяли соли Fe(III) при средней концентрации иона 2,5 мг/л. Для регистрации параметров процесса использовали стандартные приборы – вольтметр (класс точности 0,4), амперметр (0,5).

Степень очистки определяли по формуле, %

Y =

( C o

—

C к

л

v

С о

100,

где С _о , С _к – начальная и конечная концентрации удаляемого иона металла, мг/л.

Удельные энергозатраты W на очистку единицы объема воды (кВт·ч)/м3 рассчитывались по выражению

IUτ

W =---пр 10 - 3

V

, где I – сила тока, А; U – напряжение на клеммах электродов, В; τпр– время пропускания электрического тока через очищаемую воду, ч; V – объем заливаемой воды, м3; 10-3 – переводной коэффициент из Вт в кВт.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – источник постоянного тока с регулированием выходного напряжения; 2 – корпус ячейки; 3 – верхняя ёмкость с водой; 4 – ёмкость для очищенной воды; 5 – стальные электроды-аноды; 6 – стальные электроды-катоды; 7 – токовводы; 8 – вентиль (зажим); 9 – адсорбент

• Fig. 1. Experimental setup diagram:

• 1    – DC power supply with output voltage regulation; 2 – casing cell; 3 – the upper container of water; 4 – purified water tank; 5 – steel electrodes-anodes; 6 – steel electrodes-cathodes; 7 – current leads; 8 – valve (clamp); 9 – adsorbent

Результаты исследований. На рис. 2 представлены результаты очистки воды от ионов Fe с начальной концентрацией 2,5 мг/л на постоянном электрическом токе разной напряженности с сорбентами.

Рис. 2. Результаты влияния входных параметров процесса на степень очистки в установке с постоянным током и сорбентами

Fig. 2. Results of influence of input parameters of the process on the degree of purification in a plant with direct current and sorbents

В процессе ранее проведенных экспериментов на двух установках для очистки сточных вод [3–5] были проанализированы основные параметры, являющиеся наиболее важными в очистке воды: расстояние между электродами (L, м), напряжение на клеммах электродов (U, В) и время обработки (Т, с). На рис. 3 представлены результаты анализа зависимости степени очистки воды от ионов Fe при изменении времени воздействия постоянного электрического тока на кварцевый песок при различном напряжении на электродах с применением программы обработки экспериментальных данных Statgraphics. Температура обрабатываемой воды была в диапазоне от 20 до 22 0С [6–8] и дисперсность частиц кварцевого песка от 0,5–1,2 мм [9–13]. При рассмотрении поверхности отклика видно, что показатели железа общего (рис. 3) в очищенной воде максимально приближаются к нормативным при увеличении времени обработки [14].

Рис. 3. Зависимость степени очистки воды от ионов Fe при изменении времени воздействия постоянного электрического тока на кварцевый песок при различном напряжении на электродах

Fig. 3. Dependence of the degree of water purification on Fe ions when changing the time of exposure to direct electric current on quartz sand at different voltages on the electrodes

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что эффективность электрохимического метода на постоянном электрическом токе и переменном электрическом токе промышленной частоты зависит от межэлектродного расстояния, напряжения на клеммах электродов и времени обработки и степень очистки улучшается с увеличением напряженности электрического поля [3–5;15]. При одинаковом напряжении (U=18 В) эффективнее оказалась технология очистки на переменном электрическом токе промышленной частоты.

Удельные энергозатраты и степень очистки электрохимического метода на постоянном электрическом токе составили:

1,5 - 18 • 0,0167, _А-з                     з

W =------------- 10 ³ = 4,5( кВт * ч ) / м⁵

^Э        0,001

Y =

/

V

2,5 - 0,5 "

2,5 J

100 = 80 % при U = 18 B

Результаты исследований методов очистки воды при напряжении U=18 B, времени обработки t обр. =60 c, исходной концентрации ионов Fe = 2,5 мг/м³ представлены на рис. 4.

Рис. 4. Результаты исследований методов очистки воды

• Fig. 4. Results of research on water treatment methods

Заключение. Удельные энергозатраты и степень очистки электрохимического метода на переменном электрическом токе промышленной частоты: W =1,8 (кВт . ч)/м3, Y= 99 % [4]. Однако этот метод основан на введении коагулянта после электрохимического воздействия и отстаивания воды в течение восьми часов, что снижает производительность и требует дополнительных отстойников. В электрохимическом процессе в объеме воды без сорбентов происходило образование гидроокиси железа, что приводило к увеличению мутности воды. Для извлечения гидроокиси железа необходимо отстаивание воды [4; 14]. Комбинирование электрохимического воздействия и применение адсорбентов позволило поднять степень очистки до 80 %, при этом удельные энергозатраты составляют 4,5 кВт . ч/м3. Увеличение напряженности электрического поля до 5,16 В/мм позволит очистить воду от ионов железа до уровня ПДК (0,3 мг/л).