Электрохимическая очистка воды: Электрохимическая очистка воды

Содержание

Электрохимическая очистка воды | Об очистке воды

ВРЕМЯ ЧТЕНИЯ 5 МИНУТ

ВОДА, ОЧИСТКА

Производства, требующие использования значительных объемов воды, нуждаются в высокоэффективных и высокопроизводительных методах фильтрации. Для обработки больших объемов используется электрохимическая очистка воды (или так называемая электрокоагуляция).

Сущность данного метода заключается в удалении из воды растворенных примесей в результате агрегирования и оседания коллоидных частиц, образовавшихся под воздействием постоянного электрического тока. Коагулирующий эффект достигается за счет процесса анодного растворения металла, в ходе которого в раствор переходят катионы алюминия или железа, которые подвергаются гидролизу и выступают в роли коагулянтов.

Особенности технологии очистки

Оборудование для электрохимической очистки воды представляет собой емкость, в которой размещены электроды, ориентированные параллельно и вертикально относительно направления движения жидкости. В зависимости от схемы перемещения воды выделяют однопоточные комплексы, в которых вода перемещается последовательно от одного электрода к другому, многопоточные с параллельным соединением каналов, а также смешанные установки. Модификации первого типа отличаются высокой скоростью прохождения потока.

Многопоточные установки позволяют минимизировать замедление реакции электролиза (пассивацию), которая происходит из-за воздействия образующихся в результате процесса побочных продуктов. Данный метод широко применяется для обработки растворов, насыщенных маслами, нефтепродуктами и жирами. При проведении электрокоагуляции требуется учитывать ряд побочных факторов (химический состав смеси, скорость движения потока между анодами, материалы электродов, температуру раствора, а также точное напряжение постоянного тока, подаваемого на установку).

Преимущества технологии электрохимической очистки воды

Оборудование для электрохимической очистки воды отличается простотой управления и относительной компактностью. Помимо этого, специфика данного процесса обусловливает независимость результата от уровня кислотно-щелочного баланса обрабатываемой среды, появления в растворе токсичных элементов, а также резких перепадов окружающей температуры. Кроме того, электрокоагуляция обеспечивает высокую эффективность бактерицидной обработки фильтруемой воды. Данный эффект достигается за счет постоянного воздействия на раствор тока высокой плотности, который разрушает соединения с образованием химически активных форм кислорода, обладающих бактерицидным эффектом.

Рекомендуемые товары:

ЭКСПЕРТ Стандарт (комплект картриджей)

Смеситель с краном для чистой воды BWT 3C

Магистральный фильтр BWT Protector Mini для холодной воды 3/4″ прямая промывка

БОЛЬШЕ ФИЛЬТРОВ

Образ жизни

Об очистке воды

Здоровье

Вам понравилась статья?

Электрохимические методы очистки воды

Кроме солей вода содержит мелкодисперсные примеси, которые представляют собой устойчивые коллоидные системы. Эта проблема особенно остро ощущается теми, кто в качестве источника водоснабжения выбрал поверхностный или подповерхностный водоем, например, пробурил скважину на песок. Для удаления взвешенных частиц целесообразно использовать устройства для электрохимической очистки воды.

Как работают и где применяются способы электрохимической очистки воды

Вода, полученная из природных источников, является электролитом, то есть проводником электрического тока. Большинство ее естественных примесей — это соли, которые вымываются из пород водоносного горизонта. Они диссоциируют на положительно заряженные ионы металлов и кислотные остатки с отрицательным зарядом. Способность воды проводить электрический ток используется в промышленной и коммерческой водоподготовке.

В коллоидных системах частицы постоянно находятся во взвешенном состоянии. Это свойство обусловлено броуновским движением, стерическим эффектом и электростатическим отталкиванием. Мелкодисперсные примеси испытывают постоянные соударения с молекулами воды и никогда не «слипаются» между собой. Поэтому отстаивание коллоидных растворов не дает эффекта.

Электрохимическая очистка воды представляет собой комбинацию химических превращений, сопровождающихся воздействием постоянного электрического тока. Они позволяют преодолеть силы межмолекулярного взаимодействия и перевести коллоидные растворы в форму, удобную для удаления.

Наиболее популярные методы электрохимической очистки воды

В водоподготовке применяют две технологии электрохимической очистки воды — электрохимическую коагуляцию воды и электрофлотацию. Они достаточно хорошо изучены и дают стабильные результаты.

Электрокоагуляция

Для электрохимической коагуляции (электрокоагуляции воды) используют электролизер с растворимыми электродами. Анод изготавливают из алюминия, магния или стали. Материал катода не имеет принципиального значения. В установках с реверсивной работой его делают из того же материала, что и анод. При воздействии электрического тока в электролизере происходят следующие процессы:

Атомы металла на аноде превращаются в ионы (Meⁿ⁺) с выделением электронов и растворяются в воде. Вода разлагается на кислород (O₂) и ионы водорода (H⁺).

На катоде происходит разложение молекул воды с выделением газообразного водорода (H₂) и гидроксильного иона (OH^—).

Процессы, протекающие в объеме электролита, определяются его pH и составом примесей.

В результате работы электролизера взвеси вступают в реакции с образованием осадка, который может быть удален отстаиванием или при помощи механического фильтра.

Электрофлотация

Электрофлотационная очистка (электрофлотация) основана на переносе взвешенных частиц из объема воды на ее поверхность пузырьками газов. H₂ и O₂ образуются на электродах. Благодаря высокой дисперсности пузырьки газа способны захватывать мельчайшие частицы вплоть до ионов. Загрязнения приобретают хлопьевидную форму и удаляются без особого труда.

В установках водоподготовки электрокоагуляция и электрофлотация часто работают в тандеме, что повышает эффективность очистки.

Электромембранные методы очистки

Кроме электрохимической обработки воды, существуют также электромембранные методы.Разность потенциалов является движущей силой для очистки электромембранными методами — электродиализом и электродеионизацией. Эти технологии нацелены на обессоливание воды, или удаление ионов растворенных солей.

Электродиализ

В процессе электродиализа ионы переносятся к противоположно заряженному электроду через специальные ионоселективные мембраны. В простейшей электродиализной ячейке «работают» катод, анод, катионообменная и анионообменная мембраны. Они разделяют раствор на чистую обессоленную воду и два потока концентрата.

Мембраны не пропускают молекулы воды и другие частицы с нейтральным зарядом. Электродиализ позволяет снизить солесодержание и довести его до «питьевых» нормативов.

Электродеионизация

Технологическая вода для химического производства, фармацевтики, подпитки паровых котлов требует глубокого обессоливания. В результате электродеионизации удается получить пермеат высокой чистоты с удельным сопротивлением до 20 МОм × см.

В установке электродеионизации пространство между ионоселективными мембранами заполняется смесью ионообменных смол, которые также участвуют в поглощении ионов. Процессы ионного обмена в смолах и их регенерация происходят непрерывно, и это считается одним из базовых преимуществ метода.

Электрохимическое обеззараживание воды

Электрохимическое обеззараживание воды — это технология, которая считается одной из самых современных и эффективных альтернатив классическому хлорированию. В процессе электролиза хлорид натрия превращается гипохлорит — сильнодействующий дезинфектант. Солевой раствор подается в электролизер в постоянном или периодическом режиме в зависимости от конструкции установки электрохимического обеззараживания воды. Полученный гипохлорит добавляется в воду, подлежащую обеззараживанию.

Такая технология электрохимической водоподготовки позволяет отказаться от производства, транспортировки и хранения жидкого хлора. Вместо него используется дешевое и безопасное сырье — поваренная соль. Для сокращения расхода гипохлорита натрия выполняется предварительная дезинфекция методом озонирования.

Преимущества электрохимических установок для очистки воды

Электрохимические способы применяются как для подготовки питьевой воды, так и для очистки сточных вод. К основным преимуществам электрохимических фильтров для воды можно отнести:

Сравнительно небольшие массово-габаритные характеристики установок для очистки воды.

Низкие энергозатраты.

Работа электрохимических установок не требует добавления вредных реагентов, не повышает общего солесодержания в воде на выходе.

Неутилизируемый остаток образуется в малых количествах и может быть размещен на полигоне.

Применяются для удаления железа, умягчения воды, обеззараживания и обессоливания.

Возможность применения методов электрохимической очистки питьевой и сточных вод определяется предварительным лабораторным исследованием образцов воды, взятой из источника. Необходимо выяснить состав раствора, определить его качество по всем целевым показателям и в соответствии с этим выбрать компоненты для системы комплексной водоочистки. Наличие некоторых примесей в исходной воде может привести к тому, что на выходе образуются вредные или опасные продукты реакций. Если электрохимическая очистка проводится в соответствии с правильной технологической схемой, то эффективность дезинфекции, удаления взвешенных и растворенных веществ будет высокой.

Оценка электрохимической обработки | Продукты качества воды

Об авторе: Эрик Йегги является менеджером по развитию программы Ассоциации качества воды. С Йегги можно связаться по адресу [email protected] или по телефону 630.929.2539.

Индустрия очистки воды постоянно стремится найти более устойчивые решения проблем очистки. Катионообменные умягчители воды чрезвычайно эффективны для удаления жесткости, но в некоторых штатах они подвергаются атакам из-за соли и воды, которые они выделяют во время регенерации. Системы обратного осмоса эффективны для удаления общего количества растворенных твердых веществ (TDS), но значительный процент поступающей воды сбрасывается в канализацию в виде сточных вод.

Системы электрохимической обработки воды становятся потенциальным решением, поскольку они снижают как жесткость, так и TDS без использования соли при относительно высокой эффективности. Эта технология имеет несколько названий: непрерывная электролитическая деионизация, емкостная деионизация или электрически регенерируемый ионный обмен.

Как работает эта технология?

Системы электрохимической обработки воды используют электричество для удаления растворенных в воде загрязнителей. Положительно заряженные примеси, такие как кальций, магний, натрий, свинец и уран, называются катионами. Отрицательно заряженные примеси, такие как хлориды, нитраты, нитриты, сульфаты и фториды, называются анионами. Введение отрицательно заряженного электрода или катода в воду заставит положительно заряженные катионы двигаться к ней. Положительно заряженный электрод или анод заставит отрицательно заряженные анионы двигаться к нему. Электрохимические системы очистки воды используют это свойство, комбинируя электрод с ионообменными мембранами.

Ионообменные мембраны изготавливаются путем измельчения ионообменной смолы, добавления связующего вещества и экструзии в виде листа. Катионитовая смола создает катионную мембрану, через которую проходят только катионы. И наоборот, анионная смола создает анионную мембрану, которая пропускает только анионы.

Важно понимать, что, в отличие от других типов мембран, ионообменные мембраны не пропускают через себя воду. Проходят только растворенные загрязнения.

Таким образом, принцип прост: ввести отрицательно заряженный катод для перемещения положительно заряженных катионов через катионную мембрану, где они собираются и концентрируются, оставляя очищенную воду продукта на другой стороне мембраны. Чередование анионных мембран с катионными создает чередующиеся зоны концентрирования и очистки. Затем полученная вода может быть сброшена в резервуар для хранения, где она собирается для использования.

При непрерывной работе в таком режиме концентрации концентрата в конце концов достигнут достаточно высокой концентрации, чтобы вызвать образование накипи. Для предотвращения этого система периодически промывает зону концентрата на слив. Некоторые системы также меняют полярность на электродах, так что зоны концентрата становятся зонами продукта в следующем цикле. Цикл химической очистки также можно использовать каждые шесть-двенадцать месяцев, чтобы предотвратить образование накипи. Даже с циклами промывки и очистки эти системы работают с относительно высоким КПД около 80%, что означает, что лишь небольшой процент входящей воды сбрасывается в виде сточных вод.

Каковы эксплуатационные требования? Нужна ли повысительная помпа? Увеличит ли это потребление электроэнергии?

Электрохимические системы работают при относительно низком напряжении, при этом доступны бытовые устройства, которые можно подключать к любой бытовой розетке. Типичные эксплуатационные расходы на жилую единицу составляют от 40 до 50 долларов в год для семьи из четырех человек.

Поскольку движение через ионообменные мембраны вызывается электричеством, а не осмотическим давлением, эти системы обычно требуют низкого давления и могут эффективно работать в скважинах без использования бустерных насосов.

Что удаляют эти электрохимические системы?

В принципе, все, что ионизируется при растворении в воде, будет восстановлено. Типичное целевое значение для получаемой воды – жесткость менее 5 гран на галлон (галлон) и TDS менее 150 частей на миллион, поэтому эти системы нецелесообразны, если вашей целью является производство мягкой воды с жесткостью менее 1 галлона на галлон.

Системы электрохимической обработки воды значительно снижают содержание катионов, таких как кальций, магний, натрий, свинец и уран, а также анионов, таких как хлориды, нитраты, нитриты, сульфаты и фториды.

Имеют ли электрохимические системы ограничения?

Каждая система уникальна. Чтобы полностью понять ограничения конкретной системы, проконсультируйтесь с производителем. Большинство производителей электрохимических систем, вероятно, порекомендуют предварительный фильтр для удаления осадка, который может засорить мембраны, и хлора, который может повредить систему. Исходная вода с высоким содержанием железа может быть проблематичной и может потребовать дополнительной предварительной обработки. Силикагель также может представлять проблемы. Проконсультируйтесь с производителем по этим вопросам, чтобы получить четкое представление об эксплуатационных ограничениях.

Как проверяются заявления о производительности системы?

Ассоциация качества воды. (WQA) опубликовала новый стандарт производительности для систем электрохимической очистки воды под названием WQA ORD1201. Несколько производителей в настоящее время стремятся пройти сертификацию по новому стандарту в рамках программы сертификации WQA Gold Seal. Сертифицированные системы проходят всестороннее тестирование с использованием 30-дневного протокола, который включает в себя различные модели использования, чтобы гарантировать, что они обеспечивают 75% снижение жесткости и TDS в течение длительного периода времени в условиях, имитирующих различные модели использования, встречающиеся в полевых условиях. . Тестовая вода содержит 20 г на грамм жесткости и 750 мг/л TDS, чтобы обеспечить строгие испытания.

Стандарт также охватывает испытания на безопасность материалов, чтобы гарантировать, что материалы, используемые в строительстве, не будут выщелачивать вредные химические вещества в воду. Он включает испытания на структурную целостность, чтобы гарантировать, что продукт сможет выдерживать циклические и гидростатические нагрузки, встречающиеся в доме. Включены литературные требования, чтобы гарантировать отсутствие ложных или вводящих в заблуждение утверждений и раскрытие всех рабочих параметров. Стандарт также включает в себя испытания для определения характеристик энергопотребления и использования любых химикатов для этапов очистки, поэтому в эксплуатационных требованиях не будет сюрпризов.

Системы электрохимической очистки воды обещают решить многие проблемы, стоящие перед этой отраслью. Они работают при низком напряжении, потребляя относительно небольшое количество энергии при низком давлении, что делает их пригодными для применения в колодезной воде. Вода, которую они производят, не вызывает коррозии, потому что они не удаляют все TDS, и они снижают жесткость до менее чем 5 gpg без использования соли или химикатов для ежедневной эксплуатации.

Загрузить: Здесь

Как сделать электрохимическую очистку воды реальностью? – НЬЮТ Центр

Сообщение в блоге, представленное Ana S. Fajardo

Осведомленность общественности о влиянии плохого качества воды на здоровье является движущей силой растущего спроса на новые технологии водоснабжения. Одним из примеров является растущий рынок бытовых систем очистки питьевой воды (например, систем, которые помещаются под вашей домашней раковиной) [1]. Для удовлетворения потребностей населения эти системы должны быть эффективными, компактными и удобными для пользователя. Еще одним примером растущей потребности в очистке является очистка промышленных сточных вод. Новые технологии должны снижать потребность в кислороде и содержание органических/неорганических веществ до регулируемых значений перед сбросом в городскую канализацию.

В этом контексте процессы, использующие электричество для очистки воды, привлекают внимание ученых всего мира. Эти технологии способны удалять/преобразовывать на месте сложные вещества, присутствующие в сложных сточных водах или матрицах питьевой воды, с использованием автономных, компактных и не содержащих химикатов систем, которые можно развернуть в любом месте. До сих пор большинство исследований, связанных с электрохимическими технологиями (например, электрохимическое окисление, электрофентон, фотоэлектрон-фентон, электрохимическое восстановление), сосредоточены на обработке синтетических матриц, содержащих один целевой загрязнитель. Это часто задерживает переход на более высокие уровни технологической готовности и коммерциализацию этих систем для реальных водных матриц. Почему это происходит? Этот документ направлен на выявление пробелов и потребностей при переходе от идеальных лабораторных решений к реальной коммерческой реализации.

Согласно литературным данным, большинство диапазонов концентраций загрязняющих веществ, используемых в синтетических лабораторных растворах, на несколько порядков выше, чем те, которые появляются в реальных сценариях. Эти нереальные условия будут маскировать эффективность процесса, давая неверное представление об энергетических параметрах, таких как фарадеевский КПД и электрическая энергия на заказ, что приведет к ошибочным инженерным решениям. Для того, чтобы сформулировать читателю, эти два понятия будут определены. Фарадеевская эффективность определяет количество электронов, потребляемых в электрохимической реакции, по отношению к ожидаемому теоретическому преобразованию, регулируемому законом Фарадея, а электрическая энергия на порядок количественно определяет необходимую электрическую энергию для снижения концентрации загрязняющих веществ на один порядок в единице объема.
Рис. 1 – График в виде прямоугольника, на котором сравниваются диапазоны концентраций целевых загрязняющих веществ, обнаруженных в истинных концентрациях в окружающей среде (¢), с синтетическими растворами (¢), обработанными в лаборатории. Загрязнители классифицируются по классам загрязнителей: пер- и полифторалкиновые вещества (ПФАС), фармацевтические препараты, пестициды и нитраты. Центральная отметка (£) прямоугольника представляет собой медианное значение, нижний и верхний края составляют 25 и 75 процентиля соответственно. Усы простираются до крайностей, не считающихся выбросами. Выбросы (u) — это точки больше (Q1+ 1,5(Q3-Q1)) и меньше (Q1-1,5(Q3-Q1)), где Q — квартиль.

Помимо концентрации загрязняющих веществ, важно учитывать состав водной матрицы в реальной воде. Хотя проведение исследований в синтетических матрицах было необходимо для развития механистического понимания электрохимических принципов обработки питьевой воды и сточных вод, продолжение этого пути не позволит выявить конкуренцию между видами, обычно присутствующими в реальных водах, или изучить влияние буферов pH. или жесткость воды. Инженерные проблемы избегаются; однако с ними необходимо столкнуться и решить до внедрения технологии. Примером этого является неисследование стабильности электрода в сложной водной матрице, содержащей растворенные вещества и бактерии, которые могут вызывать образование накипи и обрастаний на поверхности электрода в длительных экспериментах, что приводит к снижению производительности электрода. процесс.

Рис. 2 – (а) Неорганические отложения на электродах при электрокаталитической обработке реальных подземных вод (жесткость: ~350 мг л ^-1 в пересчете на CaCO ₃ ). (б) Биообрастание на алмазных электродах, легированных бором, Pseudomonas aeruginosa , наблюдаемое с помощью оптической когерентной томографической микроскопии [2].

Исследователи NEWT недавно рассмотрели эти проблемы в статье под названием «Несоответствия между экспериментальными условиями и условиями окружающей среды: исследовательские шаги на пути к тому, чтобы электрохимическая обработка воды стала реальностью». По словам исследователей из Thrust 1/NEWT (ASU, RICE, UTEP и YALE), которые составляют команду этой недавней публикации, пришло время перестать избегать насущных потребностей в области очистки воды и начать переопределять вопросы исследования, чтобы предоставлять более механистически соответствующие оценки процесса и преодоление реальных проблем. В этом конкретном случае определение подходящих для цели и нишевых возможностей для электрохимических технологий жизненно важно для продолжения исследований в этой области.

Надпись: Серхи Гарсия-Сегура (ASU), Алек Броквей Нинхаузер (ASU), Ана С. Фахардо (ASU), Ришаб Бансал (ASU), Кристиан Л. Кунрод (Райс), Джон Д. Фортнер (Йель) Мариана Маркос -Эрнандес (UTEP), Таня Роджерс (Райс), Дино Виллагран (UTEP), Майкл С. Вонг (Райс) и Пол Вестерхофф (ASU).

«В нашей области исследований изучение и понимание шагов по переводу процесса из лабораторного в промышленный масштаб имеет важное значение для нашего профессионального роста. Кроме того, мы всегда пытаемся применять эту концепцию во всех наших работах», — сказала постдоктор NEWT Ана София Дос Сантос Фахардо, один из авторов этой статьи.