Электрохимическая подготовка природных вод

В. И. Ильин,  канд. техн. наук,

С. О. Вараксин,  канд. техн. наук, 

В. А. Колесников, доктор техн. наук, 

Г. А. Кокарев,  канд. хим. наук, РХТУ им. Д. И. Менделеева

Качество воды, поступающей на производственные нужды, должно соответствовать техническим требованиям с учетом ее влияния на технологический процесс и выпускаемую продукцию. Важным показателем качества воды является жесткость. Так как в природных водах преобладают в основном ионы кальция и магния, то под общей жесткостью чаще всего подразумевают сумму их концентраций.

К достоинствам мягких вод можно отнести возможность их использования при минимальной обработке в технологии изготовления искусственного и синтетического волокна, пластмасс, кинопленки, каолина, кожи, а также для производств пищевой, радиоэлектронной промышленности, в теплоэнергетике, коммунальном хозяйстве и перед мембранным обессоливанием. Экономически целесообразно применение мягких вод для приготовления растворов мыла, красителей, кислот и щелочей, а также при получении диоксида титана и пигментов.

Природные воды в основном не удовлетворяют требованиям промышленных предприятий по содержанию солей жесткости (0,01–0,001 мг-экв/л), поэтому их следует обязательно подвергать предварительной обработке, которая определяется физико-химическими свойствами примесей воды и их фазово-дисперсным состоянием.

Природные воды представляют собой сложные системы, содержащие растворенные вещества в виде ионов и молекул, минеральные и органические соединения в форме коллоидов, суспензий и эмульсий.

Химический состав природных вод представлен в основном ионами К⁺, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺, SO₄^2–, НСО₃^–, CO₃^2–, Сl^–, железа, алюминия, кремнекислоты и органических веществ. Кроме того, имеются соединения азота (NH³⁺, NO^3–, NO^2–). Эти компоненты присутствуют во всех природных водах, и их содержание составляет 90–95% общего количества ионов. Органические вещества присутствуют в виде эмульсий минеральных масел и нефтепродуктов, попадающих в водоемы со сточными водами, а также в виде гумусовых соединений и микроорганизмов, придающих воде цветность. Жесткость воды колеблется в широких пределах – от нескольких десятых до десятков мг-экв/л. Например, для реки Москвы жесткость у истока составляет 0,5–0,9 мг-экв/л, а в месте впадения реки Можайки – 6–7 мг-экв/л. Величина показателя рН природных вод обычно варьируется в пределах 6,5–8,5.

Технология подготовки природных вод предполагает электрохимическую коррекцию рН очищаемой воды и электрофлотационное разделение жидкой и твердой фаз. На рисунке представлена технологическая схема электрохимической подготовки природных вод.

Вода поступает в сборник-отстойник (1) для выделения тяжелых минеральных примесей (главным образом песка) и грубодисперсных частиц (структурных примесей растительного и животного происхождения). После предварительной очистки сток подается в катодную камеру (2а) электрокорректора рН, из которой под действием электрического тока анионы мигрируют через анионообменную мембрану в анодную камеру (2б), где происходит подкисление среды. В катодной камере в процессе электролиза воды раствор подщелачивается до рН=10–11, что сопровождается образованием частиц гидроксидов и карбонатов смешанного состава. Далее сток поступает в камеру грубой очистки (3а) и тонкой очистки (3б) электрофлотатора, где в результате электролиза воды происходит образование пузырьков газов водорода и кислорода, которые, поднимаясь вверх, сталкиваются с частицами примесей (гидроксиды и карбонаты металлов, эмульсии, дисперсные органические вещества), флотируют их на поверхность, образуя устойчивый пенный слой – флотошлам, периодически удаляемый шламосборным устройством. После осветления умягченная вода направляется в анодную камеру (2б) электрокорректора рН, где происходит нейтрализация воды до величины показателя рН, практически не отличающейся от величины рН исходной воды. После обработки умягченная и очищенная вода поступает на технологические нужды.

В таблице представлены результаты, полученные при электрохимической обработке речной и артезианской воды по данной схеме. Забор речной  воды осуществлялся по водоводу из водозаборного узла «Заозерье» (река Москва), артезиан-

ской – из скважины, расположенной на территории МП «Теплоцентраль» (г. Жуковский Московской обл.).

Удельный расход электроэнергии при электрофлотационной обработке составляет 0,3–0,5 кВт•ч/м³, электрохимическом корректировании 1–2 кВт•ч/м³. Модуль производительностью 5 м³/ч занимает площадь 25 м².

Проведение процесса в щелочной области рН обеспечивает умягчение воды за счет образования труднорастворимых соединений кальция, магния и других тяжелых металлов, разложение ионов аммония с образованием газообразного аммиака. Обезвреживание растворенных органических соединений происходит за счет процессов электрохимической деструкции и сорбции, при этом уменьшаются мутность и цветность воды.

Данные бактериологических анализов свидетельствуют о дезинфицирующем действии электрохимического способа. В результате электролиза природной воды, содержащей хлорид-ионы, образуются бактерицидные агенты: гипохлориты, хлорноватистая кислота, которые легко взаимодействуют с присутствующими в воде аммиаком и аммонийными солями. При этом образуются хлорамины, также обладающие обеззараживающим действием. Это дает возможность при использовании мягких вод в качестве подпиточных в системах оборотного водоснабжения снижать дозы биоцидов.

Рисунок Технолоическая схема электрохимической подготовки пиродных вод

Применение электрохимического метода по сравнению с реагентной обработкой позволяет исключить увеличение общего солесодержания умягченной воды; избежать повышения остаточной жесткости воды и производить одновременно стабилизационную обработку воды и тем самым предотвратить отложение карбоната кальция, которое происходит при известковом умягчении и вынуждает проводить стабилизацию воды продувкой углекислотой; отказаться от использования химических реагентов и реагентного хозяйства и, следовательно, сократить производственные площади, необходимые для размещения очистных сооружений.

Разработанная электрохимическая технология и запроектированное оборудование дает возможность варьировать степень очистки в зависимости от исходного состава и требований, предъявляемых к качеству очищаемой воды без изменения технологической схемы и конструктивного оформления процесса.

Адрес для переписки:  125047, Москва, Миусская пл., д. 9. РХТУ им. Д. И. Менделеева, кафедра ТЭП.

Тел. 978-6170

Факс 978-8492