Электрофлотационные установки

В электрофлотационных установках для проведения процесса флотации используют газообразные продукты – водород и кислород, выделяющиеся на электродах при электролизе обрабатываемой воды. На катоде происходит разряд молекул воды с образованием водорода:

2Н₂О + 2e^- → Н₂ + 2ОН^-. (5.11)

На аноде процесс окисления сопровождается выделением кислорода:

2Н₂О → О₂ + 4Н⁺ + 2e^-. (5.12)

Электроды выполняют в виде пластин, однако чаще их изготавливают в виде проволочной сетки из меди или нержавеющей стали. Оптимального распределения по размерам газовых пузырьков, а также газонаполнения достигают варьированием плотности тока на электродах.

При горизонтальном расположении электродов во флотационной камере на них могут оседать твердые частицы, которые нарушают нормальную работу аппарата. Имеются конструкции электрофлотатора (рис. 5.3), позволяющие избавиться от указанного недостатка, в котором аноды выполнены в форме трехгранных призм, расположенных в шахматном порядке на дне аппарата. Катоды представляют собой отдельные проволочные сетки, изогнутые под углом и расположенные над анодами параллельно граням.

Рис. 5.3. Электрофлотатор с анодами в форме трехгранных призм:

1 – корпус; 2 – наклонный желоб; 3 – трубопровод теплоносителя; 4 – выпускная камера; 5 – выпускной штуцер; 6 – катод; 7 – приемная камера; 8 – анод

Очищаемая вода поступает в приемную камеру 7, откуда переливается во флотационную камеру, в которой насыщается пузырьками газа. Пузырьки газа флотируют загрязняющие компоненты на поверхность, где частицы скапливаются в виде пены, которая удаляется по наклонному желобу 2. Внутри желоба проходит трубопровод 3 с горячей водой. Пенообразная масса в результате нагрева частиц гаснет и стекает в сборник. Освобожденная от взвешенных частиц вода переливается в камеру 4 и удаляется из аппарата. Частицы, которые тяжелее воды, опускаются вниз и выводятся через штуцер 5.

Недостатком рассмотренных конструкций является вероятность образования в процессе электролиза взрывоопасной смеси газов – 2/3 водорода и 1/3 кислорода. Известны конструкции флотаторов, в которых анодное пространство отделяется от катодного диафрагмой, препятствующей смешению газов. В качестве материала для диафрагмы используют хлорированные или асбестовые ткани, которые пропитывают смолами для уменьшения их пористости.

В многокамерных электрофлотаторах, в одной из камер катодное пространство отделено от анодного ионообменной мембраной, водный поток направляется раздельно в анодную и катодную части камер (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Электрофлотатор с электрокорректором рН:

1 – анодная камера электрокорректора рН; 2 – катодная камера электрокорректора рН; 3 – анионообменная мембрана; 4 – анод; 5 – приемник пены; 6 –пеносборник; 7 – камера электрофлотационной доочистки; 8 – гидрозатвор; 9 – катод

Исходный раствор направляется в катодное пространство первой камеры, после чего поступает во вторую – основную флотационную камеру. В катодном пространстве вследствие протекания реакции (5.11) происходит смещение равновесия в реакции диссоциации воды и изменение рН воды вплоть до значений, соответствующих образованию нерастворимых гидроксидов тяжелых металлов, присутствующих в качестве загрязняющих компонентов. Таким образом обеспечивается электрохимическая коррекция рН вместо реагентной обработки, поэтому первую камеру называют электрокорректором рН. Для полного осаждения металлов из растворов в виде гидроксидов металлов необходимо в катодной камере поддерживать значения рН на некотором определенном уровне.

Однако катодная камера выполняет помимо указанной и другие функции:

- газонасыщение раствора, необходимое для осуществления флотационного процесса;

- обессоливание раствора вследствие миграции анионов в анодную камеру;

- образование гидроксидов катионов металлов.

Наиболее важной функцией является все же изменение кислотности обрабатываемого раствора в катодном пространстве, поэтому необходимая токовая нагрузка в корректоре рН должна определяться исходя из функции

Q = F(C _Me + K), (5.13)

где Q – удельный расход электричества, А·ч/л; C _Me – концентрация ионов металлов, ммоль/л; K – константа, зависящая от содержания других примесей в растворе; F – число Фарадея, Кл/моль.

Эффект обессоливания за счет удаления анионов в анодную камеру может быть определен из выражения:

С _а = t _а(С _Me + K), (5.14)

где С _а – изменение концентрации анионов в растворе при переносе их через анионообменную мембрану; t _а – селективность анионообменной мембраны, доли единицы (t _а = 0,8…0,9).

Изменение кислотности анионита может быть определено по выражению:

[H⁺] = (Q )/F, (5.15)

где Q – удельный расход электричества, А·ч/л; – выход по току реакции образования кислорода на аноде; F – число Фарадея, Кл/моль.

В трехкамерном электрофлотаторе (рис. 5.5) камера 5 выполняет функции корректирования значения рН раствора, а камеры 6, 7 выполняют роль флотационных камер.

Соотношение объемных плотностей тока, А/л, в камере корректора рН и флотационных камерах составляет примерно 10:1. Как видно из этого соотношения, значительная часть энергии тратится на изменение рН раствора и обеспечение связывания ионов металлов в нерастворимые формы гидроксидов.

Рис. 5.5. Электрофлотатор с электрокорректором рН, выполненным в виде трехкамерного электролизера: а – вид сбоку; б – вид сверху; 1 – патрубок ввода католита; 2 – патрубок ввода сточной воды; 3 – привод пеносборного устройства; 4 – патрубок вывода католита; 5 – катод; 6 – катионообменная мембрана; 7 – анод; 8 – патрубок вывода очищенной воды; 9 – шламоприемник; 10 – комплект электродов секции электрофлотационной доочистки; 11 – перегородка секции электрофлотационной доочистки; 12 – сливной патрубок; 13 – переливная перегородка; 14 – корпус; 15 – пеносборник

Количество газа, генерируемого в электрофлотаторе, можно определить по выражению

V _o = /τB_т n, (5.16)

где V _o – объем газа, м³, выделяющегося при нормальных условиях; – объем газа, м³, выделяющегося при прохождении 1 кА·ч (электрохимический эквивалент); τ – время обработки, ч; B_т – коэффициент использования тока (выход по току), доли единицы; n – число пар электродов; = 0,418 м³/(кА·ч).

Объем влажного газа в реальных условиях определяют по уравнению

, (5.17)

где W – парциальное давление насыщенных водяных паров при 20 ^оС, равное 2,3 кПа; В – давление в системе, кПа; Р – атмосферное давление при нормальных условиях, кПа.

Метод электрофлотации имеет ряд существенных преимуществ перед другими способами флотации сточных вод. Однако применение этого метода связано с необходимостью предварительной очистки сточных вод от грубодисперсных загрязнений; в некоторых случаях требуется также и очистка поверхности электродов и межэлектродного пространства от механических примесей и замасливающих веществ. Кроме того, электрофлотация не всегда обеспечивает требуемую степень очистки сточных вод, что вызывает необходимость интенсификации процесса путем дополнительного применения коагулянтов или насыщения обрабатываемой жидкости газами в напорных электролитических сатураторах. Последнее является более прогрессивным решением, для реализации которого разработаны различные конструкции аппаратов (рис. 5.6).

В электросатураторе насыщение жидкости газами осуществляется путем растворения в ней электролитически генерируемых на аноде и катоде газов. В качестве анодов применяются титан ВТ1-0, покрытый диоксидом рутения ОРТА, катодами служит нержавеющая сталь. Оптимальная анодная плотность тока 5 А/дм², напряжение – 9-10 В. Из электросатуратора насыщенная газами жидкость дросселируется во флотационную камеру, где за счет снижения давления до атмосферного происходит выделение растворенных в воде газов и флотирование загрязнений в поверхностный слой жидкости, откуда пенный продукт направляется на дальнейшую обработку.

Рис. 5.6. Электросатуратор: 1 – вантуз; 2 – подводящий штуцер; 3 – манометр; 4 – анод; 5 – катод; 6 – отводящий штуцер; 7 – перепускные окна; 8 – турбулизатор