RU2060956C1

RU2060956C1 - Sewage purification from weighted substances method

Info

Publication number: RU2060956C1
Application number: RU92004167A
Authority: RU
Inventors: Владимир Дмитриевич Назаров
Original assignee: Владимир Дмитриевич Назаров
Priority date: 1992-10-14
Filing date: 1992-10-14
Publication date: 1996-05-27

Abstract

FIELD: sewage purification from weighted particles. SUBSTANCE: sewage waters are treated in anode chamber of diaphragm electrocoagulator with anion membrane during feeding in it of alkaline solution with concentration of up to 0.015 - 0.025

and during feeding into anode chamber of mineral acid solution with concentration of up to 0.015 - 0.025

Description

Изобретение относится к очистке сточных вод от взвешенных веществ и может быть использовано на судах речного и морского транспорта. The invention relates to the treatment of wastewater from suspended solids and can be used on ships of river and sea transport.

Известен способ очистки сточных вод гальванохимичесим способом. Обработку промышленных сточных вод осуществляют в аппарате непрерывного действия проточного типа. Загрузку аппарата составили из железной и медной стружки при массовом их соотношении 4:1. Медную стружку загружали одноразово, а железную периодически догружали по мере ее расходования [1]
Прототипом изобретения является способ очистки сточных вод от взвешенных веществ и сероводорода, заключающийся в обработке сточных вод в катодной камере диафрагменного электролизера на катоде из гидрофобизированного углерода при одновременном пропускании через воду кислородсодержащего газа, а в анодную камеру помещают раствор минеральной кислоты, в качестве диафрагмы применяют катионообменную матрицу, а раствор минеральной кислоты используют в концентрации 0,5-1,0 М [2]
Эффективная работа известного электрокоагулятора достигается только при высоких плотностях тока, поскольку при этом наиболее интенсивно используется их емкость и рабочая поверхность электродов, однако, с повышением плотности тока возрастают поляризационные явления и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и потере электроэнергии на побочные процессы.A known method of wastewater treatment in a galvanic chemical way. The treatment of industrial wastewater is carried out in a continuous flow apparatus. The apparatus was loaded with iron and copper chips with a mass ratio of 4: 1. Copper shavings were loaded once, and iron was periodically loaded as it was spent [1]
The prototype of the invention is a method for treating wastewater from suspended solids and hydrogen sulfide, which consists in treating wastewater in a cathode chamber of a diaphragm electrolyzer on a cathode of hydrophobized carbon while passing oxygen-containing gas through water, and a mineral acid solution is placed in the anode chamber, using a cation exchange as a diaphragm matrix, and a solution of mineral acid is used in a concentration of 0.5-1.0 M [2]
The effective operation of the known electrocoagulator is achieved only at high current densities, since their capacitance and the working surface of the electrodes are most intensively used, however, with increasing current density, polarization phenomena and passivation of the electrodes increase, which leads to an increase in voltage and loss of electricity to side processes.

Цель изобретения снижение энергозатрат. The purpose of the invention is the reduction of energy consumption.

Цель достигается те, что в известном способе очистки сточных вод от взвешенных веществ, включающем обработку их в мембранном электрохимическом коагуляторе с использованием катода из углеродсодержащего материала с разделенными электродными камерами при подаче в катодную камеру кислородсодержащего газа и использованием минеральной кислоты, согласно изобретению, обработку ведут в поле гальванического элемента, образованного засыпными алюминиевым анодом и графитовым катодом, замкнутыми внешней электрической цепью на сопротивление нагрузки, и разделенными анионообменной мембраной, причем, очищаемую воду подают в анодную камеру с одновременной подачей в нее щелочи до концентрации ее 0,015-0,025 н, а в катодную камеру подают раствор минеральной кислоты до концентрации ее 0,015-0,025 н. The goal is achieved by those in the known method of wastewater treatment from suspended solids, including treating them in a membrane electrochemical coagulator using a cathode of carbon-containing material with separated electrode chambers when oxygen-containing gas is supplied to the cathode chamber and using mineral acid, according to the invention, the treatment is carried out in the field of a galvanic cell formed by a backfill aluminum anode and a graphite cathode, closed by an external electrical circuit to a resistance of load, and separated by an anion-exchange membrane, moreover, the purified water is fed into the anode chamber with the simultaneous supply of alkali into it to a concentration of 0.015-0.025 n, and a solution of mineral acid is fed into the cathode chamber to a concentration of 0.015-0.025 n.

В предлагаемом способе выявленная зависимость напряжения от концентрации минеральной кислоты (HCl) в катодной камере и концентрации щелочи в анодной камере (NaOH) носит экстремальный характер, т.е. большему значению напряжения на нагрузочном сопротивлении соответствует большая интенсивность электродных процессов, и как следствие, большая скорость выхода ионов алюминия, что не является очевидным для специалиста в области очистки сточных вод от взвешенных веществ в электрохимических коагуляторах. При этом существенно уменьшается пассивация электродов, которая является существенным недостатком известных элетрокоагуляторов и тормозит их внедрение в технологию очистки воды, а также уменьшаются энергозатраты за счет отсутствия источника питания. In the proposed method, the detected dependence of the voltage on the concentration of mineral acid (HCl) in the cathode chamber and the concentration of alkali in the anode chamber (NaOH) is extreme, i.e. a higher voltage value at the load resistance corresponds to a higher intensity of electrode processes, and as a result, a high rate of aluminum ion output, which is not obvious to a specialist in the field of wastewater treatment from suspended solids in electrochemical coagulators. At the same time, the passivation of the electrodes is significantly reduced, which is a significant drawback of the known electrocoagulators and inhibits their implementation in water purification technology, as well as energy costs due to the lack of a power source.

На фиг. 1 представлена блок-схема обработки сточной воды в электрохимическом коагуляторе; на фиг. 2 зависимость напряжения на нагрузочном сопротивлении от концентрации кислоты и щелочи. In FIG. 1 is a flowchart of wastewater treatment in an electrochemical coagulator; in FIG. 2 the dependence of the voltage on the load resistance from the concentration of acid and alkali.

В прямоугольном корпусе 1 (фиг. 1) помещены засыпные электроды: гранулированный алюминий, являющийся анодом 2, и пористый углеродсодержащий материал, например, графит, являющийся катодом 3. Анодная рабочая камера отделена от катодной (нерабочей) камеры анионообменной мембраной 4 и образует электрохимическую ячейку. Электроды соединены сопротивлением нагрузки 5, катодная камера соединена с коллектором 6 кислородсодержащей газовой смеси. In a rectangular case 1 (Fig. 1), charging electrodes are placed: granular aluminum, which is the anode 2, and a porous carbon-containing material, for example, graphite, which is the cathode 3. The anode working chamber is separated from the cathode (non-working) chamber by an anion exchange membrane 4 and forms an electrochemical cell . The electrodes are connected by a load resistance 5, the cathode chamber is connected to the collector 6 of an oxygen-containing gas mixture.

Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.

Обрабатываемая жидкость поступает в анодную камеру, одновременно в катодное пространство подают кислородсодержащую газовую смесь, напримеp, воздух и вводят автоматическим устройством кислоту до концентрации ее в нерабочей камере 0,015-0,025 н в рабочую (анодную) камеру вводят щелочь в концентрации 0,015-0,025 н. В результате электрохимической диссоциации между двумя электродами возникает собственный электрический ток, под действием которого в рабочей анодной камере происходит растворение гранулированного алюминия, ионы металла переходят в раствор, образуя гидроокись алюминия, которая является коагулянтом и адсорбирует загрязнения. The processed liquid enters the anode chamber, at the same time an oxygen-containing gas mixture, for example, air, is introduced into the cathode space and the acid is automatically introduced into the working chamber (0.015-0.025 n), alkali is introduced into the working (anode) chamber at a concentration of 0.015-0.025 n. As a result of electrochemical dissociation between two electrodes, an internal electric current arises, under the influence of which granular aluminum dissolves in the working anode chamber, metal ions pass into the solution, forming aluminum hydroxide, which is a coagulant and adsorbs contaminants.

Интенсификация процесса образования гидроокиси алюминия происходит следующим образом. The intensification of the formation of aluminum hydroxide is as follows.

В процессе работы электрокоагулятора в электролите, которым является обрабатываемая жидкость, гидроксил-ионы движутся от катода к аноду. Электролит служит ионным проводником тока между электродами. На аноде происходит электрохимическое окисление водорода
2H₂+4OH^- _→ 4H₂O+4e (I)
Полученные в результате реакции электроны по внешней цепи поступают на катод, совершая на своем пути работу. На катоде происходит восстановление кислорода (присоединение электронов по суммарной реакции)
O₂+4e+2H₂ _→ 4OH^- (II)
При введении кислородсодержащей газовой смеси в катодную камеру в кислой и нейтральной среде электролита происходит реакция O₂+4e+4H⁺_→ 2H₂O, которая стимулирует дополнительное образование гидроксил-ионов по реакции (II). Вследствие этих процессов в катодной камере происходит подщелачивание электролита. Далее гидроксил-ионы через анионитовую мембрану поступают в анодную (рабочую) камеру, где происходит образование гидроокиси алюминия. В обрабатываемой воде рН составляет 5-6 и регулируется вышеприведенными реакциями. Это является положительным эффектом, так как известно, что при рН>9 гидроокись алюминия реагирует с избытком щелочи с образованием гидроксоалюминатов, а также при контакте с воздухом происходит карбонизация
2OH^-+CO₂

CO

\binom{2}{3}

+H₂O
П р и м е р 1. В рабочую (анодную) камеру электрохимического коагулятора с алюминиевым засыпным электродом добавляют щелочь NaOH до концентрации 0,005-0,05 н. в катодную камеру с засыпным электродом из пористого графита подают воздух. Электролитом является раствор NaCl концентрации 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. В эксперименте определяют падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Результаты представлены в табл. 1.During the operation of the electrocoagulator in the electrolyte, which is the liquid being treated, hydroxyl ions move from the cathode to the anode. The electrolyte serves as an ionic current conductor between the electrodes. Electrochemical oxidation of hydrogen occurs at the anode
2H ₂ + 4OH ^- _ → 4H ₂ O + 4e (I)
The resulting electrons through an external circuit enter the cathode, doing work in its path. At the cathode, oxygen is reduced (electrons are added by the total reaction)
O ₂ + 4e + 2H ₂ _ → 4OH ^- (II)
When an oxygen-containing gas mixture is introduced into the cathode chamber in an acidic and neutral electrolyte medium, the reaction O ₂ + 4e + 4H ⁺ _ → 2H ₂ O occurs, which stimulates the additional formation of hydroxyl ions by reaction (II). As a result of these processes, alkalization of the electrolyte occurs in the cathode chamber. Next, hydroxyl ions through the anion exchange membrane enter the anode (working) chamber, where the formation of aluminum hydroxide. In the treated water, the pH is 5-6 and is regulated by the above reactions. This is a positive effect, since it is known that at pH> 9, aluminum hydroxide reacts with an excess of alkali to form hydroxoaluminates, and carbonization occurs upon contact with air
2OH ^- + CO ₂

CO

\binom{2}{3}

+ H ₂ O
EXAMPLE 1. In the working (anode) chamber of an electrochemical coagulator with an aluminum charge electrode, alkali NaOH is added to a concentration of 0.005-0.05 n. air is fed into the cathode chamber with a charge electrode of porous graphite. The electrolyte is a 0.1N NaCl solution. Load resistance 1.5 kOhm. In the experiment, the voltage drop across the load resistance is determined. The results are presented in table. one.

П р и м е р 2. В нерабочую (катодную) камеру электрохимического коагулятора с засыпным углеродсодержащим электродом вводят минеральную кислоту HCl в концентрации 0,005-0,05 н, а также подают кислородсодержащий газ (воздух). Электролит NaCl 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. Определяют падение напряжения на сопротивлении нагрузки. PRI me R 2. Into a non-working (cathode) chamber of an electrochemical coagulator with a charge-containing carbon-containing electrode, mineral acid HCl is introduced at a concentration of 0.005-0.05 n, and an oxygen-containing gas (air) is also supplied. Electrolyte NaCl 0.1 N. Load resistance 1.5 kOhm. The voltage drop across the load resistance is determined.

Результаты представлены в табл. 2. The results are presented in table. 2.

П р и м е р 3. В камеру электрохимического коагулятора с засыпным алюминиевым электродом добавляют щелочь (NaOH) в концентрации 0,005-0,05 н, в катодную камеру с засыпным графитовым электродом кислоту HCl в концентрации 0,005-0,05 н. Электролит NaCl 0,1 н. Сопротивление нагрузки 1,5 кОм. Определяем падение напряжения на сопротивлении нагрузки. Результаты представлены в табл. 3. Example 3. Alkali (NaOH) at a concentration of 0.005-0.05 n is added to the chamber of an electrochemical coagulator with a charge aluminum electrode, and acid HCl at a concentration of 0.005-0.05 N. is added to the cathode chamber with a charge graphite electrode. Electrolyte NaCl 0.1 N. Load resistance 1.5 kOhm. We determine the voltage drop on the load resistance. The results are presented in table. 3.

На фиг. 2 показана зависимость напряжения на сопротивлении нагрузки (1,5 кОм) от концентрации кислоты в нерабочей камере 1 (кр. 1) и от концентрации щелочи в рабочей камере (кр. 2). Видно, что максимум кривой соответствует концентрации 0,015-0,025 н, HCl и NaOH (кр. 3). Очевидно, что большему значению напряжения на нагрузочном сопротивлении соответствует большая интенсивность электродных процессов, т.е. большая скорость выхода ионов алюминия в раствор. In FIG. Figure 2 shows the dependence of the voltage on the load resistance (1.5 kOhm) on the concentration of acid in the inactive chamber 1 (cr. 1) and on the concentration of alkali in the working chamber (cr. 2). It can be seen that the maximum curve corresponds to a concentration of 0.015-0.025 n, HCl and NaOH (cr. 3). Obviously, a higher intensity of the load resistance corresponds to a higher intensity of electrode processes, i.e. high rate of release of aluminum ions in solution.

В технологических опытах используют модель сточных вод. В качестве взвеси использован бентонит, приготовленный по стандартной методике в концентрации 1 г/л. In technological experiments, a wastewater model is used. As a suspension, bentonite was used, prepared according to the standard method at a concentration of 1 g / l.

П р и м е р 4. Коагулянт, полученный по примеру 3 с концентрацией щелочи и кислоты 0,005 н вводят в очищаемую воду в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч. _{PRI me} R 4. The coagulant obtained in example 3 with a concentration of alkali and acid of 0.005 n is introduced into the purified water in an amount of 10% of the total amount of coagulant obtained (C _coag = 10 mg / l), mixed and sedimented for 4 hours

П р и м е р 5. Коагулянт, полученный по примеру 3, с концентрацией кислоты и щелочи 0,02 н. вводят в очищаемую воду в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч.PRI me R 5. The coagulant obtained in example 3, with a concentration of acid and alkali of 0.02 N. injected into the purified water in an amount of 10% of the total amount of coagulant obtained (C _coag = 10 mg / l), stirred and sedimented for 4 hours.

П р и м е р 6. Коагулянт, полученный по примеру 3, с концентрацией кислоты и щелочи 0,1 н и вводят в количестве 10% от общего количества полученного коагулянта (С_коаг=10 мг/л), перемешивают и проводят отстаивание в течение 4 ч. _{PRI me} R 6. The coagulant obtained in example 3, with a concentration of acid and alkali of 0.1 n and injected in an amount of 10% of the total amount of coagulant obtained (With _coag = 10 mg / l), mix and sediment in for 4 hours

П р и м е р 7. Модель сточной воды готовят из воды питьевого качества, которую перемешивают с бентонитом. Концентрацию бетонита доводят до 1 г/л. Сточную воду пропускают в анодной камере со скоростью 10 м/ч, после чего отстаивают в течение 0,5 ч. PRI me R 7. A model of wastewater is prepared from potable water, which is mixed with bentonite. The concentration of concrete is adjusted to 1 g / l. Wastewater is passed in the anode chamber at a speed of 10 m / h, after which it is left to stand for 0.5 hours.

П р и м е р 8. Опыт проводят так же, как в примере 7, при концентрации кислоты и щелочи 0,025 н. В рабочую камеру подают воздух. Результаты приведены в табл. 5. PRI me R 8. The experiment is carried out as in example 7, at a concentration of acid and alkali of 0.025 N. Air is supplied to the working chamber. The results are shown in table. 5.

Из результатов эксперимента по очистке модели сточных вод можно сделать вывод, что очистка, проведенная по примеру 4, имеет лучший результат, так как доза коагулянта в очищаемой воде, полученного с одновременной подачей щелочи в электрохимический коагулятор в концентрации 0,015-0,025 н, и в катодную камеру минеральной кислоты в концентрации 0,015-0,025 н, составляет 10-15 мг/л, коагулянт, полученный в интервалах введения кислоты и щелочи в электрохимический коагулятор от 0,005-0,015 н и 0,025-0,1 н, не дает концентрацию коагулянта в очищаемой воде 10 мг/л, следовательно, эффективность очистки снижается. From the results of the experiment on the purification of the wastewater model, we can conclude that the purification carried out according to example 4 has the best result, since the dose of coagulant in the treated water obtained with the simultaneous supply of alkali to the electrochemical coagulator at a concentration of 0.015-0.025 n, and to the cathode the chamber of mineral acid at a concentration of 0.015-0.025 n, is 10-15 mg / l, the coagulant obtained in the intervals of the introduction of acid and alkali into the electrochemical coagulator from 0.005-0.015 n and 0.025-0.1 n does not give the concentration of coagulant in the treated water 10 mg / l, trace tionary, the cleaning efficiency decreases.

В предлагаемом способе достигается экономия электроэнергии за счет того, что для получения коагулянта вообще не используется электроэнергия, так как в результате электрохимических реакций между двумя засыпными электродами возникает собственный электрический ток. Пассивация уменьшается за счет того, что в обрабатываемой воде рН составляет 5-8. Это является положительным эффектом, так как известно, что при рН менее 9, гидроокись алюминия не реагирует с избытком щелочи с образование гидроксоалюминатов, а также в меньшей степени происходит карбонизация при контакте с воздухом. По прототипу наиболее эффективной может быть работа электрокоагулятора при высоких плотностях тока, поскольку при этом наиболее интенсивно используется их емкость и рабочая поверхность электродов. Однако, с повышением плотности тока возрастает поляризованное явление и пассивация электродов, что приводит к возрастанию напряжения и потере электроэнергии на побочные процессы. In the proposed method, energy savings are achieved due to the fact that no electricity is used to obtain the coagulant, since as a result of electrochemical reactions between two charge electrodes, an own electric current arises. Passivation is reduced due to the fact that the pH of the treated water is 5-8. This is a positive effect, since it is known that at a pH of less than 9, aluminum hydroxide does not react with an excess of alkali to form hydroxoaluminates, and carbonization also occurs to a lesser extent in contact with air. According to the prototype, the operation of the electrocoagulator at high current densities may be most effective, since their capacitance and the working surface of the electrodes are most intensively used. However, with an increase in current density, the polarized phenomenon and passivation of the electrodes increase, which leads to an increase in voltage and loss of electricity for side processes.

Изменение напряжения за счет пассивации электродов по прототипу (в электрокоагуляторе) составляет 34% Изменение ЭДС за счет пассивации при работе электрохимического коагулятора (в предлагаемом способе) составляет 10% Следовательно, предлагаемый способ очистки сточных вод от взвешенных веществ позволяет наиболее эффективно получать коагулянт и вводить его в очищаемую воду, при этом в меньшей степени проявляется пассивация электродов. The voltage change due to passivation of the electrodes according to the prototype (in the electrocoagulator) is 34%. The change in EMF due to passivation during the operation of the electrochemical coagulator (in the proposed method) is 10%. Therefore, the proposed method for wastewater treatment from suspended solids allows the coagulant to be obtained most efficiently and introduced in purified water, while the passivation of the electrodes is less manifested.

Claims

A method of purifying wastewater from suspended solids, including treating it in a diaphragm electrocoagulator with electrodes and an ion-exchange membrane in the presence of mineral acid when an oxygen-containing gas is supplied to the cathode chamber, characterized in that an anion-exchange membrane is used as an ion-exchange membrane, and a galvanic charge as electrodes a pair formed by an aluminum anode and a graphite cathode, closed to each other by an external electric circuit, the processing is carried out in the anode chamber when supplied its alkali solution to a concentration of 0.015 0.025 N, and a cathode chamber of a mineral acid solution to a concentration of 0,015 - 0,025 N.