Расчёт способов очистки сточных вод, образующихся на деревообрабатывающем предприятии при производстве древесных плит

           Разработка и внедрение электрохимических  методов очистки сточных вод  ведутся в настоящее время  по основным направлениям:

1. Электрофлотация – удаление примесей из водной фазы вследствие их адсорбции на границе раздела раствор – газ и выноса с газовыми пузырьками в пену. Газовые пузырьки образуются на электродах при электролитическом разложении воды. Процесс осуществляется, как правило, с нерастворимыми анодами.
2. Электрокоагуляция – удаление примесей путем гидролиза сточных вод с использованием растворимых анодов. Вследствие растворения анодов в воде при определенных величинах рН образуются гидроокиси соответствующих металлов, и осуществляется процесс коагуляции, по существу аналогичный протекающему при обработке солями этих металлов.
3. Электрохимическая деструкция – разрушение примесей в результате их анодного окисления и катодного восстановления, а также химических реакций окисления и восстановления в объеме обрабатываемой жидкости посредством образующихся на электродах окислителей и восстановителей. При этом в качестве анодов используется нерастворимый в условиях гидролиза материал. В процессе окисления присутствующие в воде примеси превращаются в нетоксичные или малотоксичные вещества и удаляются из водной фазы в виде газа или осадка.

 

9. Теоретические основы электрохимических процессов. Электролиз водных растворов электролитов.

     Применение  электрохимических методов очистки сточных вод основано на электролизе, сущность которого заключается в осуществлении химических превращений за счет использования электрической энергии. Для протекания процессов электролиза необходимо иметь раствор электролита, погруженные в него электроды, внешний источник тока и металлический проводник, соединяющий электроды с источником тока. Растворы электролитов обладают достаточной электропроводностью, обусловленной присутствием электрического поля. Сточные воды являются растворами электролитов, так как в них всегда присутствуют ионы в той или иной концентрации. 

Электрофлотация.

     При электрофлотационной очистки сточных  вод газовые пузырьки, образующиеся в процессе электролиза, при движении вверх в объеме жидкости сталкиваются с частицами загрязнений, в результате чего происходит их взаимное слияние, обусловленное уменьшением поверхностной энергии флотируемой частицы и пузырька газа на границе раздела фаз «раствор – газ». Удельный вес образующихся агрегатов из частиц примесей и пузырьков газа меньше первоначального веса частиц примесей. Они способны всплывать на поверхность жидкости и накапливаться там в виде пены. Пена при помощи различных механических приспособлений, сдуванием сжатым воздухом или под вакуумом удаляют в специальные сборные емкости для гашения, после чего конденсат пены декантируют и направляют на соответствующую обработку.

     Одними  из основных факторов, влияющих на эффективность  процесса флотации, являются величина образующихся пузырьков и равномерность их распределения по площади сечения флотационной камеры. Размер газовых пузырьков влияет на их способность к образованию агрегатов с частицами загрязнений. В зависимости от принятого способа образования пузырьков газа различают: компрессионная (напорная), пневматическая, пенная, вибро- и электрофлотация. При различных механических и пневматических методах флотации сточных вод размер пузырьков воздуха, как правило, колеблется в зависимости от способа диспергирования от 0,1 до 1,0 мм. В связи с таким большим разбросом размеров пузырьков скорость их подъема и распределения их по площади флотационной камеры весьма не равномерны. Регулирование величины воздушного пузырька – технически сложная задача. Поэтому наиболее эффективной является электрофлотация, позволяющая регулировать величину пузырьков и степень газонасыщения обрабатываемой системы. При этом основную роль в процессе электрофлотации загрязнений выполняют пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Размер и интенсивность образования при электролизе пузырьков газа зависит от состава электролита, материала электродов, их формы, шероховатости поверхности, температуры обрабатываемой жидкости, поверхностного натяжения на границе раздела фаз «электрод – раствор», плотности тока. Изменяя перечисленные параметры, можно регулировать размер и интенсивность выделения пузырьков газов при электролизе, тем самым корректировать, в зависимости от характера загрязнения, технологический процесс очистки сточных вод.

     Флотационная  очистка наиболее целесообразна  для извлечения примесей гидрофобного характера. Гидрофобность частиц зависит от свойств полярных составляющих их молекул: неполярные частицы гидрофобны и легко флотируются. Гидрофобные частицы как бы втягиваются в пузырек газа и всплывают с ним наверх, в то время как гидрофильные частицы смачиваются водой  и тонут. Для успешного удаления гидрофильных частиц методом флотации необходимо предварительная гидрофобизация, которая осуществляется с помощью флотореагентов. Флотореагенты обычно представляют собой вещества, молекулы которых содержат полярную группу (гидрофильную) и неполярную (гидрофобную). Полярной группой молекулы флотореагента прикрепляются к поверхности удаляемой частицы, а неполярная группа ориентируется в сторону раствора, придавая поверхности частицы гидрофобные свойства и создавая возможности флотации. Газ легко вытесняет воду с гидрофобной поверхности, при этом образуется прочный агрегат: флотируемая частица – пузырек газа.  Кроме флотореагентов (гидрофобизаторов), при флотации могут применяться пенообразователи – вещества,  способствующие снижению поверхностного натяжения сточной воды и образованию стойкой пены, удерживающей на поверхности жидкости флотированные частицы загрязнений.

     В качестве гидрофобизаторов используют, например, жирные кислоты и их мыла, в качестве пенообразователей – поверхностно- активные вещества.

     Электрофлотация рекомендуется для очистки сточных  вод, содержащих нефтепродукты, жиры, масла, детергенты, взвешенные вещества и прочие загрязнения. Эффекты очистки могут составлять: по нефтепродуктам – до 90%, по взвешенным веществам – до 70%, по жирам – 80%. Продолжительность электрофлотационной обработки сточных вод может варьировать в зависимости от вида загрязнений в достаточно широких пределах (от нескольких минут до 30-40 минут), расход электроэнергии составляет менее 1 кВт·ч/м³. Глубина слоя обрабатываемой жидкости от 0,5 до 1,5 м, расстояние между электродами от 0,5 до 2,07 см. Плотность тока может достигать 2А/дм².        
 
 

8.1. Расчет электрофлотатора.

1. Рабочий объем аппарата

V=Q*t=50*0,5=25 м³

2. Площадь камеры флотации

F_ф=V/h_ф=25/1,0=25 м²

где h_ф – высота слоя обрабатываемой жидкости (принимается 0,8-1,1м).

3. Общая высота электрофлотатора

Н=h_ф+h₁+h₂=1,0+0,1+0,3=1,4 м

h₁=0,1 м, h₂=0,3 м

где h_1, h₂- соответственно высота слоя пены (принимается 0,05-0,15 м) и высота борта аппарата над уровнем пены (принимается, с учетом размещения устройств для удаления пены, 0,2-0,4 м).

4. Длина камеры флотации

L_ф=F_ф/В=25/3=8,3, м

В=3,0 м

где В-ширина аппарата, м (принимается при производительности до 10м³/ч -0,8 - 1,0м; до 20м³/ч-1,5 - 2,0м; до 50м³/ч-3,0 - 3,5м). Для более удобной компоновки L_ф=3 - 4 В.

5. Общая длина аппарата

L=L_ф+L₁=8,3+0,2=8,5 м

L₁=0,2 м

где L₁- длина сборного кармана очищенной жидкости (принимается 0,15-0,3м).

6. Число электродов (пластинчатых вертикально расположенных у дна):      

      а) анодов – n_a=B-2_a+b₁+2_c/2_c+b₁+b2=

3-2*0,04+0,0003+2*0,03/2*0,03+0,0003+0,04=2,98/0,1=30

(а=0,04м; в₁=0,3мм=0,0003м; в₂=0,04м; с=0,03м).

      б) катодов- n_к=В-2_а+2_с/2_с+b₁+b₂=3-2*0,04+2*0,03/2*0,03+0,0003+0,4=2,89/0,1=30

где а-расстояние от стенки аппарата до края электрода (принимается 0,03 - 0,05м); b₁-толщина катодов (принимается 0,3 - 0,5мм); b₂-толщина анодов (принимается: для графита 0,02 - 0,04м, для ОРТА и других металлов 0,1 - 0,5см); с-межэлектродное пространство (0,05 - 0,02м).

7. Активная площадь одного вертикального электрода, без учета площади торцов

f_к,а=2h*I₁=2*0,1*8,2=1,6 м²

h=0,1 м

I₁=L_ф-0,1=8,3-0,1=8,2 м

где h-высота электрода (принимается 0,1 - 0,15м); I₁-длина электрода (принимается равной L_ф-0,1),м.

8. Сила тока на электрофлотатор:

I=i_об*V;   I=i_гор*F_ф;   I=i_а*f_a*n_a;  I= i_k*f_k*n_k,А

I=0,015*25=0,375 А

i об=I/V=0,375/25=0,015 A/м³

i_a=I /f_a*n_a=0,375/1,6*30=0,375/48=0,0078 A/м²

i_k=f_k*n_k=0,375/1,6*30=0,375/48=0,0078 А/м²

где i_гор=1,5 А/дм²=0,015 А/м²

9. Вес электродной системы

М=γ_k*ƒ_k*b₁*n_k+ƒ_a*b₂*n_a=

1,5*1,6*0,0003*30+1,5*1,6*0,04*30=0,02+6+2,88=2,9 т

где γ_к и γ_а – соответственно удельные веса катодного и анодного материалов, т/м³ (для графита γ=1,5).

10. Продолжительность работы электродной системы может быть определена по формуле или для случая применения графитовых анодов

Т=k(M_a/24*q_гр*I)=k(1,5*f_a*b₂*n_a/24*q_гр*I)=

0,8(1,5*1,6*0,04*30/24*85*0,375)=0,8(2,88/765)=0,00376*0,8=

0,003 сут=0,072 ч= 4,32 мин.

где k-коэффициент использования графитовых анодов (0,8 - 0,9);

q_гр-износ графита-85 мг/А*ч. 
 

9. Методика расчета аппаратов для электрообработки сточных вод. 

      Несмотря  на конструктивные различия аппаратов  для электрокоагуляции, электрофлотации и электрохимической деструкции, некоторые технологические показатели и отдельные технические указания по их расчету являются общими.

1. Общее направление на электролизе Е_общ может быть определено по формуле или на основании экспериментально полученных зависимостей между напряжением на электролизе и плотностью тока на электродах (вольт-амперных характеристик), построенных для конкретного вида сточных вод и выбранного материала электродов при определенном межэлектродном расстоянии.

Е_общ=φ_а+φ_к+η_а+η_к+Е_эл+Е_а+Е_к+Е_конт,

где φ_а и φ_к – равновесные потенциалы анода и катода; η_а и η_к - перенапряжение на аноде и катоде; Е _Эл – падение напряжения в материале анода и катода; Е_а и Е_к – падение напряжения в материале анода и катода; Е_конт-падение напряжения в контактах, подводящих ток к проводам.

      Определение можно произвести графически или  аналитически, по уравнению регрессии Е_общ-сi+d, где c,d- эмпирические коэффициенты, определяемые при математической обработке данных вольт-амперных характеристик. При низком напряжении электролиза (2/5 В) возможно последовательное соединение отдельных блоков электродной системы с целью получения суммарного напряжения, равного напряжению на клеммах применяемого выпрямителя. В этом случае падение напряжения на электродной  системе слагается из падения напряжений на каждом блоке при неизменной силе тока:

Е_эл=Е₁+Е₂+…+Е_п,

где Е₁, Е₂,…Е_п-падение напряжения в блоках электродной системы.

При одинаковых размерах блоков

Е_эл=Е_п*N,

где N- число последовательно соединенных блоков электродной системы.

      Формулы справедливы также для биполярной схемы соединения электродов, при этом Е₁, Е₂,…,Е_п составляют падение напряжения на каждой ячейке электролизера, а N равно числу ячеек (n-1).

      Падение напряжения в проводниках (шинах, металлических  конструкций и электродах) определяется по формуле

Е_пр=I_пр*Р_пр*I/S,

где I_пр- величина тока, протекающего по проводнику, А; ρ_пр-удельное сопротивление материала проводника, О_м*мм²/м (вечелина ρ_пр в таблице); I-длина проводника, м; S- поперечное сечение проводника, мм².