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
| 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
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
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
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
Рисунок 6. Поляризация зерен в случае одного направления потока воды и вектора
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.
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
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.
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
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
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.