Расчет хлектрокоагулятора

Содержание 

Введение                                                                                                                  3 

1. Литературно-патентный обзор                                                                        5

2. Основной расчет электрокоагулятора                                                            14                                               

Список использованной литературы                                                                  24                             
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Введение

    Тема  моей дипломной работы связана с расчетом электрокоагулятора для очистки сточных вод от взвешенных примесей.

    Трудность водоочистки обусловлена необходимостью одновременного удаления органических и дисперсных частиц, устойчивость которых обусловлена как электростатическим фактором, так и защитным действием. Во многих случаях это успешно решается путем широкого применения синтетических водорастворимых полимерных флокулянтов или минеральных коагулянтов.

    Физико-химические методы очистки сточных вод, такие как коагуляция, флотация, флокуляция используются для удаления из сточных вод тонкодисперсных взвешенных частиц (твердых и жидких), растворимых газов, минеральных и органических веществ.

    Использование физико-химических методов для очистки сточных вод имеет ряд преимуществ:

    1) возможность удаления из сточных  вод токсичных, биохимически неокисляемых  органических загрязнений; 

    2) достижение глубокой и стабильной степени очистки;

    3) небольшие размеры сооружений;

    4) малая чувствительность к изменениям нагрузок;

    5) возможность полной автоматизации; 

    6) глубокая изученность кинетики некоторых процессов, а также вопросов моделирования, математического описания и оптимизации, что важно для правильного выбора и расчета аппарата.

    В процессах очистки сточных вод  коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ — коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

     В качестве коагулянтов обычно используют соли алюминия, железа или их смеси. Выбор коагулянта зависят от его  состава, физико-химических свойств и стоимости, концентрации примесей в воде, от и солевого состава воды.

      Для очистки сточных вод, загрязнённых каолином и представляющих собой разбавленные каолиновые дисперсии, удобно и целесообразно использовать физико-химический метод - электрокоагуляцию.

    Основные  преимущества электрокоагулирования - это компактность установок, отсутствие реагентного и складского хозяйства, простота обслуживания.

    К недостаткам электрокоагуляторов  можно отнести значительные расходы электроэнергии, являющиеся следствием образования окисной плёнки на поверхности электродов, а также необходимость подогрева воды перед процессом, что ограничивает область применения данного метода.

     1 Литературно-патентный обзор

    Проблема  обеспечения населения России питьевой водой нормативного качества и в достаточном количестве стала одной из главных и определяющих успешное проведение экономических реформ и усиление их социальной направленности. В настоящее время установлена ведущая роль водного фактора в возникновении различных кишечных инфекций, поэтому водоснабжение является не только гигиенической, но и важной эпидемиологической проблемой. Особые трудности возникают при обеспечении водой небольших коллективов, когда строительство крупных водопроводных станций нецелесообразно. В этих случаях более перспективными и наиболее выгодными следует считать безреагентные методы обработки воды, не требующие доставки реагентов, устройств и емкостей для их хранения и приготовления, а также капитальных очистных сооружений и больших производственных площадей. К таким методам, в частности, относится электрохимическая коагуляция, которая позволяет улучшить с экологической точки зрения характеристики в широком диапазоне концентраций дисперсной фазы жидких систем.

    Электрообработка  является одним из экологически чистых методов концентрирования дисперсной фазы, эффективность которой зависит как от параметров электрического поля, так и от физико-химических свойств обрабатываемой дисперсии. Эти свойства весьма разнообразны, и ими можно управлять. 

      Электрокоагуляция зачастую оказывается более эффективной, чем реагентная коагуляция. Электрокоагуляционная очистка проводится при различных значениях рН среды.

      Электрокоагуляцию целесообразно применять в труднодоступных  районах, куда доставка коагулянтов  затруднена [7, стр.172]. Благодаря компактности и простоте устройства электрокоагуляторы особенно эффективны при локальной очистке небольших количеств питьевых и сточных вод, например на судах морского и речного флота, на космических кораблях.

      Исходя  из выше сказанного, в полной мере можно  провести патентный обзор по электрокоагуляторам. Основной элемент электрокоагулятора с пластинчатыми электродами — сменный набор стальных или алюминиевых электродов чередующейся полярности, в зазорах между которыми (шириной 5—20 мм) протекает обрабатываемая вода со скоростью не менее 0,5 м/с. Для борьбы с пассивацией металлов (с целью снижения энергетических затрат), а также для равномерного износа электродных пластин периодически производят смену их полярности. Подключение пластин к источнику тока может быть параллельным или последовательным. В первом случае все электроды действуют как монополярные, во втором — промежуточные пластины работают биполярно. Последовательное подключение позволяет работать при меньшем токе. В электрокоагуляторах с таким подключением возникают паразитные токи (токи утечки), не участвующие в полезной работе. Рекомендуемая плотность тока — до 10 А/м. Существуют электрокоагуляторы с так называемым засыпным анодом, набранным из металлической стружки. Для борьбы с пассивацией стальной стружки и стальных пластин применяют поваренную соль. 1 г растворенного алюминия эквивалентен 6,35 г безводного сернокислого алюминия, 1 г железа — 2,9 г безводного хлорного железа. Для определения потребности в электролитически приготовленных коагулянтах и оптимальной их дозы требуется пробное коагулирование. Преимущество электрокоагуляции по сравнению с коагуляцией солями алюминия и железа особенно очевидно при обработке природных и сточных вод, содержащих большие количества органических веществ. В процессе очистки воды методом электрокоагуляции необходимо учитывать влияние солевого состава воды, так как от него зависит выход металла по току и сорбционные свойства гидроксидов. Электрокоагуляцию рекомендуется применять при обработке воды, содержащей не менее 20% хлористых солей (от общего солесодержания) и не более 75% гидрокарбонатов и сульфатов, вызывающих пассивацию электродов. При наличии в воде больших количеств Са²⁺ и Mg²⁺ и невозможности добавления к ней хлоридов в качестве катодного материала следует использовать нержавеющую сталь и не производить смену полярности. Метод можно применять для осветления, обесцвечивания и обескислороживания воды, удаления из нее железа, кремния, ионов тяжелых металлов, СПАВ и радиоактивных веществ, а также для очистки воды от биологических загрязнений.

      Рассмотрим  несколько примеров электрокоагуляционной очистки. Пример№1: электрокоагуляционную очистку стоков от алкилсульфонатов осуществляют при рН=11—11,5. В этом случае в качестве щелочного реагента используется оксид кальция. При использовании анода из алюминия, а катодов из меди при плотности тока до 3 А/дм² за 20—30 мин. содержание алкилсульфонатов снижается с 3600 до 42,5 мг/л [4].

Пример№2: при очистке стоков от анионоактивных ПАВ типа сульфанол достигается степень очистки 81,8% при плотности тока 0,5—0,7 А/дм². Очистку проводили при повышенной температуре (40—55°С) с использованием железных и алюминиевых электродов при плотности тока 0,4—2,6 А/дм² в проточном и стационарном режимах. Образующийся на поверхности электрокоагулятора пенный продукт удаляли скребковым устройством в пеносборник. Сточные воды, содержащие ПАВ, также обрабатывали перед электрокоагуляцией хлоридом кальция, который предотвращал пассивацию электродов и соответственно увеличивал эффективность очистки, которая завершалась в течение 15—20 мин. при плотности тока 1,0— 1,2 А/дм². Концентрацию сульфанола удалось снизить с 850 до 40 мг/л и взвешенных веществ с 5460 до 25 мг/л при продолжительности электрокоагуляции 20 мин. И плотности тока 2,5 А/дм². Расход электроэнергии составил при этом 16 кВт-ч/м³ [5].

      Небольшие концентрации ПАВ (около 100 мг/л) удаляют  электрокоагуляцией без добавления нейтрализующих агентов. При плотности тока 0,23—0,7 А/дм², времени пребывания сточной воды в межэлектродном пространстве 1—2 мин при последующем контакте гидроксидов железа с загрязняющими веществами в течение 10—15 мин. содержание синтетического ПАВ снижалось с 94 до 4,2 мг/л. Расход электроэнергии составил 2,5 кВт-ч/м³. Для предупреждения пассивации электродов через 10—15 мин проводилась переполюсовка.

      Рассмотрим  более подробно колонные электрокоагуляторы. Колонные электрокоагуляторы, считаются наиболее перспективными для удаления из системы загрязняющих веществ с последующим добавлением в очищенную жидкость недостающего количества эмульсола. Это позволяет создать систему многократного оборотного водоиспользования в цехах металлообработки. Механизм регенерации отработанных эмульсий СОЖ заключается в селективном удалении из нее избыточного количества частиц дисперсной фазы путем частичной коалесценции капелек масла электрогенерированным коагулянтом. Очищенная таким методом СОЖ удовлетворяет в основном требованиям технических условий к воде для приготовления рабочих растворов СОЖ. К таким условиям относятся заданная жесткость воды, коррелирующее действие водной эмульсии, склонность к пенообразованию, устойчивость пены.

      Схема регенерации отработанной эмульсии «Укринол-1» по указанному выше принципу реализована в цехе автоматических линий для обработки деталей на Мелитопольском заводе транспортных гидроагрегатов. Установка состоит из четырех колонных электрокоагуляторов, работающих параллельно. Отработанная СОЖ из емкостей насосами подается в коллекторы, расположенные в средних частях аппаратов. Одновременно в электродные блоки насосами подается чистая техническая вода (электролит) из отстойника, разделенного вертикальной перегородкой на две части [6].

      Расходы отработанной эмульсии и электролита  контролируются ротаметрами. Процесс  очистки длительно эксплуатируемой СОЖ осуществ- ляется в электрокоагуляторах путем ее смешения с восходящим потоком электролита, предварительно насыщенного гидроксидом металла раствори- мых электродов. В результате коалесценции капелек эмульгированного масла, а также коагуляции механических примесей с последующей флотацией шлама на поверхность жидкости она освобождается от загрязнений и подается в отстойник, а затем в отделение приготовления свежей эмульсии. Там в нее добавляется эмульсол «Укринол-1» в количестве, достаточном для получения заданной концентрации (обычно 3—5%) эмульсии СОЖ.

      Электрохимическая коагуляция – это получение коагулирующего эффекта за счет процесса анодного растворения металла под действием постоянного тока. Перешедшие в раствор катионы Al³⁺ и Fe³⁺ гидролизуются и выступают в роли коагулянтов. Некоторую дополнительную роль играют сопутствующие эффекты: наложение на коагулирующую систему электрического поля и связанная с ним деформация (поляризация) двойного электрического слоя вблизи поверхности частиц дисперсной фазы. Заметное влияние могут оказывать окислительно-восстановительные процессы, протекающие на электродах. Теоретически при расходе электроэнергии 26,8 А/Ч в раствор переходит около 9 г металлического алюминия или 28 г железа. В действительности, количество железа, растворяющегося в единицу времени, приближается к теоретическому, но выход алюминия может превышать расчетное значение из-за дополнительного растворения алюминиевого катода вследствие высоких концентраций щелочи в прикатодном слое. В отличие от обычной коагуляции кислотными коагулянтами при электрокоагуляции происходит некоторое повышение рН воды, и она не обогащается анионами (SO₄)^2-, (СO₃)^2- [8, стр.222]. Однако в результате электролиза выделяются значительные количества газов, пузырьки которых могут вызвать флотацию хлопьев.