Elektrokoagulace - Electrocoagulation

Elektrokoagulace (EC), je technika používaná pro odpadní voda léčba, úprava mycí vody, průmyslově zpracovaná voda a lékařské ošetření. Elektrokoagulace se stala rychle rostoucí oblastí čištění odpadních vod díky své schopnosti odstraňovat nečistoty, které je obecně obtížnější odstranit filtrací nebo chemické ošetření systémy, jako je emulgovaný olej, celkem ropné uhlovodíky, žáruvzdorné organické látky, usazeniny, a těžké kovy. Existuje mnoho značek elektrokoagulačních zařízení a mohou se pohybovat od složitosti od jednoduché anody a katody po mnohem složitější zařízení s kontrolou nad potenciály elektrod, pasivací, spotřebou anody, potenciály článků REDOX a také zavedením ultrazvukového zvuku, ultrafialového záření a řadu plynů a reaktantů k dosažení tzv. pokročilých oxidačních procesů pro žáruvzdorný nebo neposlušný organické látky.

Lékařské ošetření

K přenosu se používá jemná drátěná sonda nebo jiný zaváděcí mechanismus rádiové vlny na papírové kapesníky poblíž sondy. Molekuly v tkáni jsou vibrovány, což vede k rychlému zvýšení teploty, což způsobuje koagulace z bílkoviny v tkáni a účinně zabíjet tkáň. U aplikací s vyšším výkonem je plná vysušení tkáně je možné.

Úprava vody

Díky nejnovějším technologiím, snížení požadavků na elektřinu a miniaturizaci potřebných napájecích zdrojů se nyní systémy EC staly cenově dostupnými pro úpravny vody a průmyslové procesy po celém světě.^{[1][je potřeba zdroj třetí strany ]}

Pozadí

Elektrokoagulace („elektro“, což znamená aplikaci elektrického náboje na vodu, a „koagulace“, což znamená proces změny povrchového náboje částic, který umožňuje aglomeraci tvořit suspendovanou látku), je vyspělou a ekonomickou technologií úpravy vody. Účinně odstraňuje nerozpuštěné látky na úroveň pod mikrometr, rozbíjí emulze, jako je olej a mastnota nebo latex, a oxiduje a likviduje těžké kovy z vody bez použití filtrů nebo přidání separačních chemikálií ^[2]

Je známa široká škála technik čištění odpadních vod, které zahrnují biologické procesy pro nitrifikace, denitrifikace a fosfor odstranění, stejně jako řada fyzikálně-chemických procesů, které vyžadují chemické přidání. Běžně používané procesy fyzikálně-chemické úpravy jsou filtrace, odizolování vzduchu, iontová výměna, chemické srážení, chemický oxidace uhlík adsorpce, ultrafiltrace (UF), reverzní osmóza (RO), elektrodialýza, volatilizace a odizolování plynu.

Výhody

• Mechanická filtrace řeší pouze dva problémy v mycí vodě mycího stojanu: nerozpuštěné látky větší než 30 µm a volný olej a mastnota. Emulgovaný olej a mastnota způsobují poškození filtrů médií, což vede k vysokým nákladům na údržbu. Elektrokoagulace řeší jakoukoli velikost nerozpuštěných látek (včetně destruktivních částic> 30 µm a těžkých kovů, které mohou způsobit opotřebení tlakových myček a představovat riziko pro životní prostředí a zaměstnance).
• Chemické ošetření řeší nerozpuštěné látky, oleje a tuky a některé těžké kovy, ale pro správné ošetření může vyžadovat až tři polymery a několikanásobné úpravy pH. Tato technologie vyžaduje přidání chemikálií, což vede k nákladnému, špinavému a pracnému ošetření. Tento proces také vyžaduje přidání stlačeného vzduchu pro flotaci koagulovaných nečistot. Obecně je také vyžadována filtrace jako fáze následného zpracování leštění. Elektrokoagulace nevyžaduje žádné filtry, žádnou každodenní údržbu a žádné přísady a odstraňuje jakoukoli velikost nerozpuštěných látek, oleje, mastnoty a těžkých kovů.

Technologie

Čištění odpadních vod a mycích vod pomocí EC se praktikuje po většinu 20. století s rostoucí popularitou. V posledním desetiletí se tato technologie ve Spojených státech, Jižní Americe a Evropě stále častěji používá k čištění průmyslových odpadních vod obsahujících kovy.^[3] Rovněž bylo poznamenáno, že v Severní Americe se EC používá především k čištění odpadních vod z buničina a papír průmyslová odvětví, hornictví a zpracování kovů průmyslová odvětví. Velká aplikace chladicí věže za tisíc galonů za minutu v El Pasu v Texasu ilustruje rostoucí elektrokoagulaci a uznání průmyslové komunitě. Kromě toho se EC používá k úpravě vody obsahující potravina odpad, ropné odpady, barviva, výstup z veřejné dopravy a přístavů, mycí voda, inkoust, suspendované částice, chemický a mechanický leštící odpad, organické látky z skládka výluhy, defluorace vody, odpadních vod ze syntetických detergentů a roztoků obsahujících těžké kovy.^[4][5]

Proces srážení

Koagulace je jednou z nejdůležitějších fyzikálně-chemických reakcí používaných při úpravě vody. Ionty (těžké kovy) a koloidy (organické a anorganické) jsou většinou zadržovány v roztoku elektrickými náboji. Přidání iontů s opačnými náboji destabilizuje koloidy a umožňuje jim koagulaci. Koagulace může být dosažena chemickým koagulantem nebo elektrickými metodami. Kamenec [Al₂(TAK₄)₃^.18H₂Ó ] je taková chemická látka, která je po věky široce používána^{[když? ]} pro čištění odpadních vod.

Mechanismus koagulace byl předmětem neustálého přezkumu. Je všeobecně přijímáno^{[Citace je zapotřebí ]} že koagulace je způsobena primárně redukcí čistého povrchového náboje do bodu, kde se koloidní částice, dříve stabilizované elektrostatickým odpuzováním, mohou přiblížit dostatečně blízko k van der Waalsovy síly držet je pohromadě a umožnit agregaci. Snížení povrchového náboje je důsledkem snížení odpudivého potenciálu elektrické dvojité vrstvy přítomností an elektrolyt mít opačný náboj. V procesu EC se tvoří koagulant in situ elektrolytickou oxidací příslušného anoda materiál. V tomto procesu se nabité iontové látky - kovy nebo jiné - odstraňují z odpadních vod tím, že jim umožňují reagovat s ionty s opačným nábojem nebo s floc kovové hydroxidy generované v odpadní vodě.

Elektrokoagulace nabízí alternativu k použití kovu soli nebo polymery a polyelektrolyt doplněk pro rozbití stabilní emulze a pozastavení. Tato technologie odstraňuje kovy, koloidní pevné látky a částice a rozpustné anorganické znečišťující látky z vodných médií zavedením vysoce nabitých polymerních druhů hydroxidů kovů. Tyto druhy neutralizují elektrostatické náboje na suspendovaných pevných látkách a kapičkách oleje, aby usnadnily aglomeraci nebo koagulaci a výslednou separaci od vodné fáze. Zpracování vede k vysrážení určitých kovů a solí.

„Chemická koagulace se používá po celá desetiletí k destabilizaci suspenzí a k vysrážení rozpustných druhů kovů i jiných anorganických látek z vodných toků, což umožňuje jejich odstranění sedimentací nebo filtrací. Chemikálie byly kamenec, vápno a / nebo polymery použité koagulanty. Tyto procesy však mají tendenci generovat velké objemy kalů s vysokým obsahem vázané vody, které lze pomalu filtrovat a obtížně odvodnit. Tyto procesy také mají tendenci zvyšovat celkem rozpuštěných pevných látek (TDS) v odpadních vodách, což je nepřijatelné pro opětovné použití v průmyslových aplikacích. “^[6]

„Ačkoli se elektrokoagulační mechanismus podobá chemické koagulaci v tom, že kationtové druhy jsou odpovědné za neutralizaci povrchových nábojů, vlastnosti elektrokoagulovaného hejna se dramaticky liší od vlastností generovaných chemickou koagulací. odolný a snadněji filtrovatelný " ^[7]

Popis

Ve své nejjednodušší formě je elektrokoagulační reaktor tvořen elektrolytickým článkem s jedním anoda a jeden katoda. Při připojení k externímu zdroji energie bude anodový materiál elektrochemicky korodovat v důsledku oxidace, zatímco katoda bude vystavena pasivace.

Systém EC v zásadě sestává z párů vodivých kovových desek paralelně, které působí jako monopolární elektrody. Dále to vyžaduje a stejnosměrný proud zdroj energie, odporový box k regulaci proud hustota a multimetr číst aktuální hodnoty. Vodivé kovové desky jsou obecně známé jako „obětní elektrody“. Obětovaná anoda snižuje rozpuštění potenciál anody a minimalizuje pasivaci katody. Obětované anody a katody mohou být ze stejného nebo z různých materiálů.

Uspořádání monopolárních elektrod s články v sérii je elektricky podobné jednomu článku s mnoha elektrodami a propojeními. V uspořádání sériových článků je vyžadován vyšší rozdíl potenciálů pro tok daného proudu, protože články zapojené do série mají vyšší odpor. Stejný proud by však protékal všemi elektrodami. Naproti tomu v paralelním nebo bipolárním uspořádání je elektrický proud rozdělen mezi všechny elektrody ve vztahu k odporu jednotlivých článků a každá plocha na elektrodě má jinou polaritu.

V době elektrolýza Pozitivní strana prochází anodickými reakcemi, zatímco na negativní straně se setkáváme s katodickými reakcemi. Spotřební kovové desky, jako např žehlička nebo hliník, se obvykle používají jako obětní elektrody pro kontinuální produkci iontů ve vodě. Uvolněné ionty neutralizují náboje částic a tím iniciují koagulaci. Uvolněné ionty odstraňují nežádoucí kontaminující látky buď chemickou reakcí a srážením, nebo tak, že se koloidní materiály shlukují a mohou být následně odstraněny flotací. Kromě toho může dojít k tomu, že voda obsahující koloidní částice, oleje nebo jiné nečistoty prochází aplikovaným elektrickým polem ionizace, elektrolýza, hydrolýza, a volné radikály tvorba, která může změnit fyzikální a chemické vlastnosti vody a kontaminantů. Výsledkem je, že reaktivní a vzrušený stav způsobuje, že se kontaminanty uvolňují z vody a ničí se nebo jsou méně rozpustné.

Je důležité si uvědomit, že elektrokoagulační technologie nemůže odstranit nekonečně rozpustnou hmotu. Proto ionty s molekulovou hmotností menší než Ca⁺² nebo Mg⁺² nelze oddělit od vodného média.

Reakce v elektrokoagulačním reaktoru

V elektrokoagulačním reaktoru se nezávisle vyrábí několik odlišných elektrochemických reakcí. Tyto jsou:

• Setí, vznikající redukcí anody kovových iontů, které se stávají novými centry pro větší, stabilní, nerozpustné komplexy, které se vysráží jako komplexní kovové ionty.
• Rozbíjení emulzí, který je výsledkem iontů kyslíku a vodíku, které se vážou na místa receptorů vody emulgovaných molekul oleje a vytvářejí ve vodě nerozpustný komplex oddělující vodu od oleje, bahna vrtáku, barviv, inkoustů, mastných kyselin atd.^[8][9]
• Halogen Složité, protože se kovové ionty váží na chlór v molekule chlorovaného uhlovodíku, což vede k velkému nerozpustnému komplexu oddělujícímu vodu od pesticidy, herbicidy, chlorované PCB, atd.
• Bělení ionty kyslíku produkované v reakční komoře oxidují barviva, kyanidy, bakterie, viry, biologická nebezpečí atd. Zaplavení elektrod elektrony nutilo ionty, aby přenášely náboj do vody, čímž eliminuje polární účinek vodního komplexu, umožňuje srážení koloidních materiálů a současný řízený transport iontů mezi elektrodami vytváří osmotický tlak, který obvykle praskne bakterie, cysty a viry.
• Oxidace a redukce Reakce jsou nuceny do svého přirozeného koncového bodu v reakční nádrži, což urychluje přirozený proces přírody, který se vyskytuje v mokré chemii, kde jsou hlavními determinanty umožňujícími dosažení stechiometrického dokončení reakce koncentrační gradienty a produkty rozpustnosti (KsP).
• Elektrokoagulace Indukované pH houpá směrem k neutrálnímu.

Optimalizace reakcí

Pečlivý výběr materiálu reakční nádrže je nezbytný spolu s kontrolou proudu, průtoku a pH. Elektrody mohou být vyrobeny ze železa, hliníku, titan, grafit nebo jiné materiály, v závislosti na odpadní vodě, která má být čištěna, a na znečištění, které má být odstraněno. Zdá se, že teplota a tlak mají na proces jen malý vliv.

V procesu EC se směs kontaminující vodu odděluje na plovoucí vrstvu, flokulovaný sediment bohatý na minerály a čistou vodu. Plovoucí vrstva se obvykle odstraňuje přelivným přepadem nebo podobným způsobem odstraňování. Agregovaná vločkovitá hmota se v důsledku gravitační síly usazuje buď v reakční nádobě, nebo v následných usazovacích nádržích.

Po vyjmutí do sběrné nádrže kalu se obvykle odvodní na polosuchý koláč pomocí mechanického šnekového lisu. Čistá, upravená (supernatantová) voda se potom obvykle čerpá do vyrovnávací nádrže pro pozdější likvidaci a / nebo opětovné použití v procesu určeném rostlinou.

Výhody

• EC vyžaduje jednoduché vybavení a je snadno ovladatelné s dostatečnou provozní šířkou, aby zvládlo většinu problémů, se kterými se setkáváme při běhu.
• Odpadní voda upravená EC poskytuje chutnou, čistou, bezbarvou vodu bez zápachu.^{[Citace je zapotřebí ]}
• Kal vytvořený EC má tendenci být snadno nastavitelný a snadno odvodnitelný ve srovnání s běžnými kaly z kamence nebo hydroxidu železitého, protože hlavně oxidy / hydroxidy kovů nemají zbytkový náboj.^{[Citace je zapotřebí ]}
• Vločky vytvořené EC jsou podobné chemickým vločkám, kromě toho, že EC vločky mají tendenci být mnohem větší, obsahují méně vázané vody, jsou odolné vůči kyselinám a jsou stabilnější, a proto je lze rychleji oddělovat filtrací.^[10]
• EC může produkovat odpadní vodu s menším obsahem TDS ve srovnání s chemickým zpracováním, zvláště pokud lze ionty kovů vysrážet buď jako hydroxidy nebo uhličitany (jako je hořčík a vápník). EC má obecně malý, pokud vůbec nějaký dopad na ionty sodíku a draslíku v roztoku.^{[Citace je zapotřebí ]}
• Výhodou procesu EC je odstranění nejmenších koloidních částic, protože aplikované elektrické pole neutralizuje veškerý zbytkový náboj, čímž usnadňuje koagulaci.^[11]
• Proces EC se obecně vyhýbá nadměrnému používání chemikálií, a proto je snížen požadavek na neutralizaci přebytečných chemikálií a menší možnost sekundárního znečištění způsobeného chemickými látkami přidávanými ve vysoké koncentraci, jako když se používá chemická koagulace odpadních vod.^{[Citace je zapotřebí ]}
• Plynové bubliny produkované během elektrolýzy mohou pohodlně přenášet složky znečišťujících látek do horní části roztoku, kde je lze snadněji koncentrovat, shromažďovat a odstraňovat motorovým skimmerem.
• Elektrolytické procesy v článku EC jsou řízeny elektricky a bez pohyblivých částí, což vyžaduje méně údržby.
• Dávkování přiváděné odpadní vody pomocí chlornan sodný pomáhá snižovat biochemická spotřeba kyslíku (BOD) a následné chemická spotřeba kyslíku (CHSK), i když tomu je třeba se vyhnout u odpadních vod obsahujících vysoké hladiny organických sloučenin nebo rozpuštěného amoniaku (NH4 +) v důsledku tvorby trihalogenované methany (THM) nebo jiné chlorované organické látky. Chlornan sodný může být generován elektrolyticky v E článku za použití platiny a podobných inertních elektrod nebo pomocí externích elektrochlorátorů.^[12]
• Kvůli vynikajícímu EC odstranění nerozpuštěných látek a jednoduchosti provozu EC byly provedeny testy pro USA Úřad námořního výzkumu dospěl k závěru, že nejslibnější aplikace ES v a membránový systém bylo shledáno jako předběžné ošetření multimembránového systému UF / RO nebo mikrofiltrace / reverzní osmóza (MF / RO). V této funkci poskytuje EC ochranu nízkotlaké membrány, která je obecnější než ochrana poskytovaná chemickou koagulací a účinnější. EC je velmi účinný při odstraňování řady druhů znečisťujících membrány (jako je oxid křemičitý, hydroxidy kovů alkalických zemin a kovy přechodných skupin) a také při odstraňování mnoha druhů, které samotná chemická koagulace nedokáže odstranit. (vidět Žáruvzdorné organické látky )^{[Citace je zapotřebí ]}

Viz také

• Seznam technologií čištění odpadních vod
• Průmyslové čištění odpadních vod
• Koagulace (úprava vody)

Reference