Зависимость степени очистки воды от удельного количества электричества, напряженности электрического поля и времени отстаивания

В производстве ракетно-космической техники применяются гальванические технологии, в результате которых происходит загрязнение сточных вод ионами металлов [1; 2]. 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, в том числе и гальванических производств, что требует повышенного контроля и разработки эффективных методов очистки сточных вод. Проблема обезвреживания производственных сточных вод гальванических производств является одной из наиболее актуальных, в значительной степени определяющих экологическую обстановку в водных бассейнах России [3–5] и риски для здоровья населения [6; 7], что предполагает наличие не только высокого результата очистки, но и оптимальных параметров при внедрении в технологический процесс и включает расходы на электроэнергию, расходные материалы, время обработки и время отстаивания.

Методика проведения эксперимента

Исследование влияния постоянного электрического поля и удельного количества электричества на степень очистки воды от ионов железа комбинированным методом проводили в ячейке (рис. 1) с использованием графитового плоского электрода с отверстиями 3 , выполняющего роль анода (толщиной 100 мм) и сетки из нержавеющей стали 12Х18Н10Т (толщиной 1 мм) 7 , выполняющей роль катода, расположенных последовательно. Ячейка 1 выполнена из диэлектрического материала в виде цилиндрической трубы. В пространство между электродами засыпали сорбенты (кварцевый песок) 5 [8–13]. Объем обрабатываемой воды 1 л. На электроды подавали напряжение 18 В, что обеспечивало силу тока 0,034 А. При помощи зажима 6 устанавливали необходимый расход воды через адсорбент. В воде 2 растворяли соли Fe (III) при средней концентрации иона 1,65 мг/л. Для регистрации параметров процесса использовали стандартные приборы – вольтметр (класс точности 0,4), амперметр (0,5), MW14 фотометр портативный для определения содержания общего железа в воде [14]. Степень очистки определяли по формуле, %

Y =

100, где Со , Ск – 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.

Напряженность электрического поля Е, рассчитывалась по выражению

Е = U / L, В/м, где U – напряжение на клеммах электродов, В; L– межэлектродное расстояние.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – корпус ячейки; 2 – вода с ионами металлов; 3 – анод; 4 – решетка;

5 – адсорбент; 6 – зажим; 7 – катод (сетка); 8 – вода; 9 – ёмкость

Fig. 1. The scheme of the experimental setup:

1 – the cell body; 2 – water with metal ions; 3 – anode; 4 – grid;

5 – adsorbent; 6 – clamp; 7 – cathode (grid); 8 – water; 9 – capacity

Результаты исследований

На рис. 2 представлены зависимость степени очистки от удельного количества электричества, проходящего через очищаемую воду, напряженности электрического поля и времени отстаивания.

Рис. 2. Зависимость степени очистки от удельного количества электричества (среднее значение), проходящего через воду, напряженности электрического поля и времени отстаивания

Fig. 2. Dependence of the degree of purification on the specific amount of electricity (average value) passing through the water, the strength of the electric field and the settling time

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что эффективность комбинированного метода зависит от удельного количества электричества, проходящего через очищаемую воду, напряженности электрического поля и времени отстаивания. Степень очистки улучшается с увеличением времени отстаивания [5–7].

Удельные энергозатраты, напряженность электрического поля и степень очистки комбинированного метода составили:

W э = 0,035 кВт*ч/м³,

Е = 1058 В/м,

Y = 50 %.

Заключение

При удельном количестве электричества (Q = 9,7 Кл/л), напряженности электрического поля (Е = 1058 В/м) и отстаивании воды в течение 24 ч степень очистки составляет 50 %.

Зависимость степени очистки от количества электричества пропорциональна напряженности электрического поля. В работе [15] исследовался комбинированный метод очистки воды с использованием в качестве анода нержавеющей стали, которая подвергалась анодному растворению, поэтому удельные энергозатраты по расчету больше, чем в представленном методе. Степень очистки в работе [15] составила 80 %, так как наблюдался переход растворенного железа с анода в воду в гидроокись, которая выступала в качестве коагулянта.

Увеличение степени очистки наблюдается при повышении напряженности электрического поля либо удельного количества электричества. Для достижения степени очистки равной 50 % необходимо провести отстаивание в течение 24 ч, при этом удельные энергозатраты составят 0,035 кВт ч/м3, что значительно меньше чем в использовании предыдущего метода (0,45 кВт . ч/м3). Наиболее близкими по результатам оказались данные при 12 и 24 ч времени отстаивания. Для достижения степени очистки более 80 % необходимо повысить вышеперечисленные пара- метры в несколько раз: напряженность электрического поля, удельное количество электричества и время отстаивания, что в конечном счете повлияет на удельные энергозатраты.