Электрохимические фильтры – это фильтры с зернистой загрузкой, расположенной в электрическом поле, созданном одним или несколькими электрохимическими источниками тока. Электрохимические источники тока – это устройства, позволяющие осуществить превращение химической энергии в электрическую.
Электрохимические фильтры являются модификацией зернистых многослойных фильтров. Отличительной их особенностью является генерация электрического тока за счет создания в теле фильтра электрохимического источника тока. Оптимальным вариантом является тип электрохимической системы, когда оба электрода отличаются по химическим и физическим свойствам.
Для получения дополнительных функций фильтра при очистке вод фильтрованием необходимо выполнение следующих условий:
— катод и анод должны иметь разное значение стандартного электродного потенциала;
— катод и анод должны быть пространственно разделены с тем, чтобы разделить окислительные и восстановительные зоны;
— электроды должны иметь высокое значение удельной поверхности, т.е. должны быть пористыми, либо гранулированными;
— продукты реакций должны целевым образом использоваться, например, являться коагулянтом.
Сущность метода электрохимического фильтрования заключается в следующем. Фильтр (рисунок 1) загружают, как минимум, тремя слоями гранулированных материалов. Материалы слоя 3 и 5 должны быть электропроводны, иметь разные значения стандартного потенциала. Материал слоя 3 должен быть электроотрицательным, способен образовывать нерастворимый гидроксид. Материал слоя 5 должен быть электроположительным. Слои 3 и 5 пространственно разделены слоем 4, состоящим из неэлектропроводного зернистого фильтрующего материала [1].
Рисунок 1. Электрохимический фильтр
![Электрохимический фильтр изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Электрохимический-фильтр.jpg)
1 – подача исходной воды; | 6 – сборная система; |
2 – распределительная система; | 7 – отвод очищенной воды; |
3 – гранулированный алюминий; | 8 – подача промывной воды; |
4 – фильтрующий зернистый материал; | 9 – отвод промывной воды; |
5 – активированный уголь; | 10 – сетка |
При пропускании воды сквозь фильтрующую загрузку возникает электродвижущая сила между слоями 3 и 5 и электрохимический ток. Под действием тока растворяется электроотрицательный материал 3, ионы которого образуют коагулянт на зернах загрузки 4.
В слоях 3 и 5 происходят окислительные и восстановительные реакции соответственно, которые существенно влияют на эффект очистки воды при наличии в ней органических загрязнителей, ионов металлов.
В слое 5 использован активированный уголь, который выполняет, кроме указанных, функцию сорбента.
В случае применения алюминиевого электрода возможно протекание следующих реакций:
на аноде
на катоде
Параметры электрохимического фильтра
Электрохимический фильтр характеризуется следующими параметрами: ЭДС, током, напряжением, мощностью, энергией, напряженностью электрического поля. Наибольшее значение имеет ЭДС, поскольку величина ЭДС определяет напряженность электрического поля, в котором размещена зернистая фильтрующая загрузка, а также мощность, которая определяет межэлектродное расстояние.
По результатам определений тока и ЭДС рассчитана мощность электрохимического фильтра. Результаты приведены на рисунке 2.
Рисунок 2. Зависимость мощности электрохимического фильтра от толщины разделительного слоя
![Зависимость мощности электрохимического фильтра от толщины разделительного слоя изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Зависимость-мощности-электрохимического-фильтра-от-толщины-разделительного-слоя.jpg)
Как следует из рисунка 2, на графике наблюдается два максимальных значения мощности электрохимического фильтра. Расстояние между электродами, соответствующее первому и второму максимуму, определится дифференцированием соответствующих уравнений регрессии (таблица 1).
Таблица 1 – Расстояния между электродами, соответствующие первому и второму максимуму
Первый максимум | Второй максимум | |||||
C, г/л | Уравнение | R2 | Расстояние, мм | Уравнение | R2 | Расстояние, мм |
100 | y = -0,0353x2 + 0,9426x – 3,4118 | 1 | 13,35 | y = -0,00006x2 + 0,027x + 0,7966 | 1 | 225 |
50 | y = -0,0458x2 + 1,3143x – 7,0771 | 1 | 14,34 | y = -0,00002x2 + 0,0095x – 0,112 | 1 | 237 |
10 | y = -0,0321x2 + 0,9245x – 5,2906 | 1 | 14,40 | y = -0,000006x2 + 0,0029x + 0,0428 | 1 | 241 |
5 | y = -0,0246x2 + 0,7107x – 4,0992 | 1 | 14,44 | y = -0,000004x2 + 0,0016x + 0,0384 | 1 | 200 |
1 | y = -0,0257x2 + 0,7512x – 4,538 | 1 | 14,61 | y = -0,00000008x2 + 0,00003x + 0,0753 | 1 | 187 |
Среднее значение | 14,23 | Среднее значение | 218 |
Из полученных результатов следует, что в широком диапазоне концентраций электролита положение первого и второго максимума изменяется несущественно и может быть определено средним значением межэлектродного расстояния, а именно, 14 и 218 мм. Так как высота фильтрующего слоя должна быть не менее 1 м, то электрохимический фильтр должен быть преобразован в многоэлектродный, а количество источников тока, соответственно, должно равняться 71 и 5 шт. Отсюда следует, что на практике нерационально использовать первый максимум из-за нетехнологичности конструкции фильтра.
Тогда конструкция многоэлектродного электрохимического фильтра будет иметь вид, представленный на рисунке 3[2].
Рисунок 3. Многоэлектродный электрохимический фильтр
![Многоэлектродный электрохимический фильтр изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Многоэлектродный-электрохимический-фильтр.jpg)
1 – корпус; 2 – эллиптическая крышка; 3 – патрубок подвода воды; 4 – патрубок отвода воды; 5 – графитовый катод; 6 – алюминиевый анод; 7 – зернистый материал; 8 – проводник
Фильтр состоит из корпуса 1, эллиптических крышек 2, патрубков с фланцами для подачи 3 и отвода 4 воды, электрохимических источников тока, состоящих из алюминиевого анода 5, графитового катода 6, между которыми находится минеральный зернистый материал 7. Анод и катод соединены проводником 8.
Растворимость электродов
Исследована растворимость анодного материала в растворах хлористого натрия, результаты приведены на рисунке 4. Измерение массы электрода производили через 1 ч работы электрохимического фильтра.
Рисунок 4. Растворение анода в электрохимической ячейке
![Растворение анода в электрохимической ячейке изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Растворение-анода-в-электрохимической-ячейке.jpg)
Среднее значение изменения массы пяти электродов в растворах различной концентрации составило _’mср=4,2·10-3 г/ч, при этом поверхность электродов составляла S=25,1·10-4 м2.
Доза алюминия, растворившегося в процессе работы электрохимического фильтра, равна 0,41 мг/л, т.е. доза существенно ниже, чем при реагентном фильтровании.
Следует отметить, что доза алюминия может регулироваться конструкцией электродов и величиной поверхности электродов.
Механизм действия электрохимического фильтра
Электрохимические фильтры так же, как и зернистые скорые фильтры, предназначены для доочистки природных и сточных вод от диспергированных загрязняющих веществ. Основным механизмом очистки воды в указанных фильтрах является действие молекулярных сил, под влиянием которых происходит закрепление извлекаемых частиц на поверхности фильтрующей загрузки. Основным недостатком молекулярных сил является их короткодействие, т.е. силы становятся существенными в непосредственной близости к поверхности твердого тела. На практике для того, чтобы усилить эффект действия молекулярных сил, фильтрование ведут в мелкой фильтрующей загрузке. Это, в свою очередь, приводит к увеличению потерь напора, уменьшению грязеемкости, уменьшению фильтроцикла. В электрохимических фильтрах по сравнению с классическими скорыми фильтрами наблюдаются дополнительные эффекты, которые заключаются в следующем.
Коагуляция. Электрод электрохимического фильтра, выполненный из электроотрицательного материала, растворяется в воде, образуя коагулянт. В качестве электроотрицательного материала целесообразно использовать алюминий и железо, т.к. в практике водоочистки испльзуются именно гидроксиды этих металлов. Возможно использование и других электроотрицательных металлов при условии экспериментального обоснования их преимуществ. Электрохимический фильтр является генератором коагулянта. Для того, чтобы увеличить концентрацию коагулянта необходимо применять электроды с развитой поверхностью, увеличивать разность потенциалов, количество источников тока и электропроводность воды.
Указанное не означает, что необходимо отказаться при фильтровании от коагулянтов, флокулянтов, щелочных реагентов и т.д., при этом следует иметь в виду, что доза реагентов может быть существенно снижена.
Поляризация. В электрохимических фильтрах зернистая минеральная загрузка расположена в электрическом поле, созданном электродами разной полярности. Под действием электрического поля происходит поляризация зерен диэлектрика с образованием связанных зарядов. В напорных фильтрах возможны два случая создания однородного электрического поля и поляризации зерен фильтрующего материала, показанные на рисунках 5 и 6.
Рисунок 5. Поляризация зерен в случае противоположного направления потока воды и вектора
![Поляризация зерен в случае противоположного направления потока воды и вектора изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Поляризация-зерен-в-случае-противоположного-направления-потока-воды-и-вектора.jpg)
Рисунок 6. Поляризация зерен в случае одного направления потока воды и вектора
![Поляризация зерен в случае одного направления потока воды и вектора изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Поляризация-зерен-в-случае-одного-направления-потока-воды-и-вектора.jpg)
Величина напряженности электрического поля в электрохимических фильтрах составляет 1-5 В/м, что вполне достаточно для поляризации зерен фильтрующего материала. При фильтровании загрязненной воды в поляризованном зернистом материале диспергированные частицы загрязняющих веществ, имеющих определенное значение знака и величины заряда, закрепляются на зернах загрузки за счет действия электростатических сил.
Конструкции электрохимических фильтров
В зависимости от конструкции и материала электродных пар электрохимические фильтры могут содержать от одного до бесконечно большого количества слоев фильтрующей загрузки.
Однослойный фильтр показан на рисунке 3 [2]. В однородном зернистом минеральном фильтрующем материале размещены горизонтальные перфорированные электроды, изготовленные из электродных материалов с разным значением электродных потенциалов. Особенностью такого фильтра является возможность использования генерируемого тока для системы автоматического управления процессом очистки воды.
Двухслойный фильтр [4] содержит два слоя зернистого электропроводного гранулированного материала, выполненного из графита и активированного угля. Особенностью такого фильтра является возможность тонкой финишной очистки сточных вод, содержащих растворенные углеводороды.
Трехслойный фильтр показан на рисунке 1. Он обладает высокой надежностью, находится в промышленной эксплуатации более 7 лет. Особенностью фильтра является возможность удаления из природных вод цветности, мутности, железа с уменьшенной дозой реагентов.
Многослойный фильтр [5] состоит из многократно чередующихся слоев гранулированных материалов, таких, как активированный уголь, горелая порода, марганцевая руда. Фильтр предназначен для очистки природных вод от железа.
Электрохимические фильтры могут быть выполнены в безнапорном и напорном исполнении. В случае безнапорного исполнения упрощается конструкция электродной системы. Электроды могут быть выполнены из разнородных металлов в виде вертикально расположенных в определенном порядке стержней, образующих чередующиеся ряды электроотрицательных и электроположительных электродов [6-8].
В случае напорного исполнения электроды могут быть выпонены в виде перфорированных дисков. Электроотрицательные электроды изготавливают из металлических листов (алюминий, цинк, сталь), электроположительные – из графита или коксопековой композиции [9].
Очистка вод из поверхностных источников
С целью сопоставления эффекта очистки природных вод классическими скорыми и электрохимическими фильтрами были проведены опыты на лабораторной установке (рисунок 7).
Рисунок 7. Установка для определения эффективности электрохимического фильтра.
![Установка для определения эффективности электрохимического фильтра изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Установка-для-определения-эффективности-электрохимического-фильтра.jpg)
1 – фильтр без электродов; 2 – фильтр с электродами; 3 – алюминиевые электроды; 4 – медный электрод; 5 – регулятор скорости фильтрования; 6 – стакан для сбора фильтрата; 7 – регулятор скорости подачи воды в фильтр; 8 – бак с исходной водой.
Параметры фильтра определяли в статическом и динамическом режимах, при чем моделировали два случая замкнутых или разомкнутых электродов одинаковой полярности. Результаты определения мощности приведены на рисунке 8.
Рисунок 8. Мощность электрохимического источника тока в зависимости от концентрации NaCl в статическом и динамическом режиме
![Мощность электрохимического источника тока в зависимости от концентрации NaCl в статическом и динамическом режиме изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Мощность-электрохимического-источника-тока-в-зависимости-от-концентрации-NaCl-в-статическом-и-динамическом-режиме.jpg)
1 – разомкнутая цепь электродов, статика; 2 – замкнутая цепь электродов, статика; 3 – разомкнутая цепь электродов, динамика; 4 – замкнутая цепь электродов, динамика.
Из результатов опытов следует, что электрохимический источник тока вырабатывает ощутимую электроэнергию, которая не только используется для очистки воды, но и может быть использована для контроля работы фильтра в качестве датчика. В динамическом режиме мощность источника тока выше, чем в статическом. Мощность не монотонно зависит от концентрации NaCl, при минерализации 1 г/л выгодней разомкнутый режим электродов.
Дальнейшие исследования были проведены на модели природной воды с минерализацией 1 г/л. В качестве замутнителя использовали бентонит после предварительной гидравлической сортировки. Гидравлическая крупность бентонита была менее 0,05 мм/с, т.е. такие взвешенные вещества сложно удаляются фильтрованием в зернистых загрузках. Опыты проводили при различных скоростях фильтрования в диапазоне 2-10 м/ч. Исходная концентрация взвешенных веществ составляла 1000 мг/л, что соответствует оптической плотности D=0,96. Результаты опытов представлены на рисунке 9.
Рисунок 9. Зависимость остаточной оптической плотности воды от скорости фильтрования в классических и электрохимических фильтрах в присутствии коагулянта и без реагентов.
![Зависимость остаточной оптической плотности воды от скорости фильтрования в классических и электрохимических фильтрах в присутствии коагулянта и без реагентов изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Зависимость-остаточной-оптической-плотности-воды-от-скорости-фильтрования-в-классических-и-электрохимических-фильтрах.jpg)
1 – с коагулянтом, с электродами; 2 – без коагулянта, с электродами; 3 – с коагулянтом, без электродов; 4 – без коагулянта, без электродов.
Из результатов опытов следует, что фильтрование в электрохимических фильтрах дает существенно лучший эффект очистки, чем в зернистых фильтрах при любой скорости фильтрования, как в присутствии коагулянта, так и без него. Оптимальной скоростью фильтрования в электрохимических фильтрах с коагулянтом следует считать 6 м/ч, т.к. оптическая плотность практически равна нулю.
Для оптимизации дозы коагулянта проведены опыты по определению эффекта очистки модели воды классическим зернистым фильтром и электрохимическим фильтром. Скорость фильтрования поддерживалась равной 4,5 м/ч. Результаты опытов представлены на рисунке 10. В качестве коагулянта использовали Al2(SO4)3 . 18H2O.
Рисунок 10. График зависимости оптической плотности воды от концентрации коагулянта в зернистом и электрохимическом фильтре
![График зависимости оптической плотности воды от концентрации коагулянта в зернистом и электрохимическом фильтре изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/График-зависимости-оптической-плотности-воды-от-концентрации-коагулянта-в-зернистом-и-электрохимическом-фильтре-1024x432.jpg)
1 – зернистый скорый фильтр; 2 – электрохимический фильтр.
Из результатов опыта следует, что эффект очистки воды от взвешенных высокодисперсных веществ в электрохимическом фильтре выше, чем в скором зернистом фильтре при любой концентрации коагулянта. Экстраполяция кривой 1 до пересечения с осью абсцисс дает значение концентрации коагулянта 38 мг/л, т.е. фильтрование в электрохимическом фильтре позволяет уменьшить дозу коагулянта в 38/20 = 1,9 раза по сравнению со скорым фильтром.
Источником водоснабжения в Ямальском районе ЯНАО является Обская губа. Кроме цветности, мутности и железа в исходной воде содержатся нефтепродукты в концентрации до 2 мг/л. Основным условием водоподготовки являлось минимальное содержание реагентов, т.к. доставка реагентов возможна только с помощью вертолетов из-за отсутствия дорог в регионе. К реализации принята схема неполной аэрации с использованием электрохимических фильтров. Электроотрицательные электроды были выполнены из алюминиевой полосы, свернутой в спираль. Очистные сооружения указанного типа производительностью 600 м3/сут были введены в эксплуатацию в поселках Панаевский, Мыс Каменный, Салемал, Се Яха Ямальского района. Опыт промышленной эксплуатации фильтров показал, что фильтроцикл составляет 8 – 12 часов, время регенерации – 0,5 ч.
Результаты опытов по очистке природной воды приведены на рисунке 11.
Рисунок 11. Содержание железа, нефтепродуктов и мутности в зависимости от скорости фильтрования
![Содержание железа, нефтепродуктов и мутности в зависимости от скорости фильтрования изображение](https://xn----ftbnpijyfd.xn--p1ai/wp-content/uploads/2020/03/Содержание-железа-нефтепродуктов-и-мутности-в-зависимости-от-скорости-фильтрования.jpg)
Из результатов промышленных опытов следует, что при фильтровании воды из поверхностного источника со скоростью до 6 м/ч в электрохимическом фильтре качество фильтрата соответствует требованиям СанПиН 2.1.4.1074.
Выводы
Предложено развитие метода очистки природных и сточных вод фильтрованием в зернистой загрузке за счет создания электрохимических источников тока в теле фильтра.
Установлено, что эффект очистки воды от загрязняющих веществ в электрохимических фильтрах увеличивается за счет генерации коагулянта и за счет поляризации зернистого минерального материала.
Показано, что применение электрохимических фильтров для очистки воды приводит к уменьшению дозы реагентов.
Опыт промышленной эксплуатации электрохимических фильтров в системах водоснабжения населенных пунктов показал их эффективность и надежность.
Сведения об авторах
Назаров Владимир Дмитриевич – доктор технических наук, профессор Уфимский государственный нефтяной технический университет (УГНТУ)
Назаров Максим Владимирович – кандидат технических наук, директор ООО «МИП УГНТУ АКВИТА»
Литература
- Назаров В.Д., Зенцов В.Н., Назаров М.В. Водоснабжение в нефтедобыче. – Уфа: Нефтегазовое дело. 2010. – 448 с.
- Патент на изобретение №2369565. Способ умягчения природных вод.//Назаров В.Д., Назаров М.В., Хабибуллина М.Р. / Опуб. 10.10.2009. Бюл. № 28.
- Назаров В.Д., Назаров М.В., Вадулина Н.В. Активный фильтрующий материал для очистки воды от железа. // Инженерные системы. 2009. №2.
- Назаров В.Д., Назаров М.В., Большаков С.М., Насыров Ю.Н. Опыт эксплуатации судовой установки для очистки нефтесодержащих вод. // Экология и промышленность России. 2008. №4. – С. 23-25.
- Патент на изобретение № 2139255. Фильтр для очистки воды. // Назаров В.Д./Опуб. 10.10.99. Бюл. № 28.
- Патент на полезную модель №88346. Скорый фильтр для очистки воды.// Назаров В.Д., Назаров М.В./ Опуб. 10.11.2009. Бюл. №31.
- Патент на изобретение №2399425. Фильтр для очистки воды.//Назаров В.Д., Назаров М.В., Мухаметзянов А.Р. / Опуб. 20.09.2010. Бюл. № 26.
- Патент на изобретение №2400435. Фильтр для очистки воды. // Назаров В.Д., Назаров М.В., Мухаметзянов А.Р. /Опуб. 27.09.10. Бюл. № 26.
- Патент на полезную модель №101443. Электрод электрохимического фильтра.// Назаров В.Д., Назаров М.В., Зенцов В.Н., Рабаев Р.У./ Опуб. 21.01.2011. Бюл. №2.