Elektrokoagulacja

Elektrokoagulacja (EC) to technika stosowana do oczyszczania ścieków , uzdatniania wody do mycia, wody przetwarzanej przemysłowo i leczenia. Elektrokoagulacja stała się szybko rozwijającą się dziedziną oczyszczania ścieków ze względu na jej zdolność do usuwania zanieczyszczeń, które są na ogół trudniejsze do usunięcia za pomocą systemów filtracji lub oczyszczania chemicznego , takich jak zemulgowany olej, całkowite węglowodory ropopochodne , ogniotrwałe substancje organiczne, zawieszone ciała stałe i metale ciężkie . Dostępnych jest wiele marek urządzeń do elektrokoagulacji i mogą one mieć różną złożoność, od prostej anody i katody do znacznie bardziej złożonych urządzeń z kontrolą potencjałów elektrod, pasywacją, zużyciem anody, potencjałami REDOX komórek, a także wprowadzeniem dźwięku ultradźwiękowego, światła ultrafioletowego oraz szereg gazów i reagentów w celu uzyskania tak zwanych zaawansowanych procesów utleniania dla ogniotrwałych lub opornych substancji organicznych.

Oczyszczanie Wody i Ścieków

Dzięki najnowszym technologiom, zmniejszeniu zapotrzebowania na energię elektryczną i miniaturyzacji potrzebnych zasilaczy systemy EC stały się dostępne dla stacji uzdatniania wody i procesów przemysłowych na całym świecie.

Sprzęt do badania elektrokoagulacji z zasilaczem

Tło

Elektrokoagulacja („elektro”, oznaczająca przykładanie ładunku elektrycznego do wody, oraz „koagulacja”, oznaczająca proces zmiany ładunku powierzchniowego cząstek, umożliwiający utworzenie aglomeracji zawieszonej materii) to zaawansowana i ekonomiczna technologia uzdatniania wody. Skutecznie usuwa zawieszone ciała stałe do poziomu poniżej mikrometra, rozbija emulsje, takie jak olej i tłuszcz lub lateks, a także utlenia i eliminuje metale ciężkie z wody bez użycia filtrów lub dodawania chemikaliów separacyjnych

Znany jest szeroki zakres technik oczyszczania ścieków, który obejmuje biologiczne procesy nitryfikacji , denitryfikacji i usuwania fosforu , a także szereg procesów fizyko-chemicznych wymagających dodatku środków chemicznych. Powszechnie stosowane procesy obróbki fizykochemicznej to filtracja , odpędzanie powietrza , wymiana jonowa , wytrącanie chemiczne , utlenianie chemiczne , adsorpcja węgla , ultrafiltracja (UF), odwrócona osmoza (RO), elektrodializa , ulatnianie i odpędzanie gazu.

Korzyści

• Filtracja mechaniczna rozwiązuje tylko dwa problemy związane z wodą do mycia koszy: zawieszone ciała stałe większe niż 30 µm oraz wolny olej i tłuszcz. Zemulgowany olej i tłuszcz powodują uszkodzenia filtrów mediów, co skutkuje wysokimi kosztami konserwacji. Elektrokoagulacja dotyczy zawiesin ciał stałych dowolnej wielkości (w tym niszczących cząstek >30 µm i metali ciężkich, które mogą powodować zużycie myjek ciśnieniowych i stwarzać zagrożenie dla środowiska i pracowników).
• Obróbka chemiczna dotyczy zawieszonych ciał stałych, olejów i smarów oraz niektórych metali ciężkich, ale może wymagać do trzech polimerów i wielokrotnych korekt pH w celu prawidłowego oczyszczenia. Ta technologia wymaga dodania chemikaliów, co skutkuje kosztowną, brudną i pracochłonną obróbką. Proces ten wymaga również dodania sprężonego powietrza do flotacji skoagulowanych zanieczyszczeń. Zasadniczo filtracja jest również wymagana jako faza po obróbce po polerowaniu. Elektrokoagulacja nie wymaga żadnych filtrów, codziennej konserwacji ani żadnych dodatków i usuwa wszelkiej wielkości zawiesiny, oleje, smary i metale ciężkie.

Technologia

Oczyszczanie ścieków i wody do mycia metodą EC było praktykowane przez większą część XX wieku z rosnącą popularnością. W ostatniej dekadzie technologia ta jest coraz częściej stosowana w Stanach Zjednoczonych, Ameryce Południowej i Europie do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających metale. Zauważono również, że w Ameryce Północnej EC był stosowany głównie do oczyszczania ścieków z celulozowo-papierniczego , górniczego i przetwórstwa metali . Zastosowanie dużej wieży chłodniczej o wydajności tysiąca galonów na minutę w El Paso w Teksasie ilustruje rosnące uznanie i akceptację elektrokoagulacji w społeczności przemysłowej. Ponadto EC została zastosowana do uzdatniania wody zawierającej spożywcze , odpady olejowe, barwniki, odpady z transportu publicznego i przystani, wodę do mycia, atrament, cząstki zawieszone , odpady chemiczne i mechaniczne polerowania, materię organiczną z odcieków ze składowisk , odfluorowanie wody, syntetyczne ścieki detergentowe i roztwory zawierające metale ciężkie.

Proces krzepnięcia

Koagulacja jest jedną z najważniejszych reakcji fizykochemicznych stosowanych w uzdatnianiu wody. Jony (metale ciężkie) i koloidy (organiczne i nieorganiczne) są najczęściej utrzymywane w roztworze przez ładunki elektryczne. Dodatek jonów o przeciwnych ładunkach destabilizuje koloidy, umożliwiając im koagulację. Koagulację można osiągnąć za pomocą koagulantu chemicznego lub metodami elektrycznymi. Ałun [Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ^. 18 H ₂ O ] jest taką substancją chemiczną, która była szeroko stosowana od wieków do oczyszczania ścieków.

Mechanizm krzepnięcia był przedmiotem ciągłego przeglądu. Ogólnie przyjmuje się , że koagulacja jest spowodowana przede wszystkim redukcją wypadkowego ładunku powierzchniowego do punktu, w którym cząstki koloidalne, uprzednio ustabilizowane przez odpychanie elektrostatyczne, mogą zbliżyć się na tyle blisko, że siły van der Waalsa utrzymają je razem i zezwolić na agregację. Zmniejszenie ładunku powierzchniowego jest konsekwencją zmniejszenia potencjału odpychania podwójnej warstwy elektrycznej przez obecność elektrolitu o przeciwnych ładunkach. W procesie EC koagulant jest generowany in situ przez elektrolityczne utlenianie odpowiedniego materiału anodowego . W tym procesie naładowane jony - metale lub inne - są usuwane ze ścieków, umożliwiając im reakcję z jonem o przeciwnym ładunku lub z kłaczkami wodorotlenków metali generowanych w ściekach.

Elektrokoagulacja stanowi alternatywę dla stosowania soli metali lub polimerów oraz dodatku polielektrolitu do rozbijania stabilnych emulsji i zawiesin . Technologia usuwa metale, koloidalne ciała stałe i cząstki oraz rozpuszczalne zanieczyszczenia nieorganiczne z wodnych mediów poprzez wprowadzanie wysoko naładowanych polimerowych wodorotlenków metali. Gatunki te neutralizują ładunki elektrostatyczne na zawieszonych ciałach stałych i kropelkach oleju, ułatwiając aglomerację lub koagulację i wynikające z tego oddzielenie od fazy wodnej. Obróbka powoduje wytrącanie się niektórych metali i soli.

„Koagulacja chemiczna była stosowana od dziesięcioleci w celu destabilizacji zawiesin i wytrącania rozpuszczalnych form metali, jak również innych form nieorganicznych ze strumieni wodnych, umożliwiając w ten sposób ich usuwanie poprzez sedymentację lub filtrację. Ałun, wapno i/lub polimery były chemikaliami stosowane koagulanty.Procesy te mają jednak tendencję do generowania dużych objętości osadu o wysokiej zawartości wody związanej, której filtracja może być powolna i trudna do odwodnienia.Te procesy oczyszczania mają również tendencję do zwiększania całkowitej zawartości rozpuszczonych substancji stałych (TDS) w ściekach, co czyni go niedopuszczalnym do ponownego wykorzystania w zastosowaniach przemysłowych”.

„Chociaż mechanizm elektrokoagulacji przypomina koagulację chemiczną, ponieważ związki kationowe są odpowiedzialne za neutralizację ładunków powierzchniowych, charakterystyka kłaczków poddanych elektrokoagulacji znacznie różni się od tych generowanych przez koagulację chemiczną. Stada poddane elektrokoagulacji zwykle zawierają mniej wody związanej, są bardziej ścinane odporny i łatwiejszy do filtrowania”

Opis

Reaktor do elektrokoagulacji w najprostszej postaci składa się z ogniwa elektrolitycznego z jedną anodą i jedną katodą . Po podłączeniu do zewnętrznego źródła zasilania materiał anody ulegnie elektrochemicznej korozji w wyniku utleniania, podczas gdy katoda zostanie poddana pasywacji .

System EC zasadniczo składa się z par równoległych przewodzących metalowych płytek, które działają jak elektrody monopolarne . Ponadto wymaga stałego , skrzynki rezystancyjnej do regulacji gęstości prądu oraz multimetru do odczytu wartości prądu. Przewodzące metalowe płytki są powszechnie znane jako „elektrody protektorowe”. Anoda protektorowa obniża rozpuszczania anody i minimalizuje pasywację katody. Anody i katody protektorowe mogą być wykonane z tego samego lub z różnych materiałów.

Układ elektrod monopolarnych z ogniwami połączonymi szeregowo jest elektrycznie podobny do pojedynczego ogniwa z wieloma elektrodami i połączeniami. W szeregowym układzie ogniw wymagana jest większa różnica potencjałów dla danego prądu, ponieważ ogniwa połączone szeregowo mają większą rezystancję. Jednak ten sam prąd przepływałby przez wszystkie elektrody. Natomiast w układzie równoległym lub bipolarnym prąd elektryczny jest rozdzielany między wszystkie elektrody w stosunku do rezystancji poszczególnych ogniw, a każda strona elektrody ma inną biegunowość.

Podczas elektrolizy po stronie dodatniej zachodzą reakcje anodowe, podczas gdy po stronie ujemnej zachodzą reakcje katodowe. Metalowe płytki zużywalne, takie jak żelazo lub aluminium , są zwykle używane jako elektrody protektorowe do ciągłego wytwarzania jonów w wodzie. Uwolnione jony neutralizują ładunki cząstek i tym samym inicjują koagulację. Uwolnione jony usuwają niepożądane zanieczyszczenia w wyniku reakcji chemicznej i wytrącania lub powodując koalescencję materiałów koloidalnych, które można następnie usunąć przez flotację. Ponadto, gdy woda zawierająca cząsteczki koloidalne, oleje lub inne zanieczyszczenia przemieszczają się przez przyłożone pole elektryczne, może dojść do jonizacji , elektrolizy, hydrolizy i powstawania wolnych rodników , które mogą zmienić fizyczne i chemiczne właściwości wody i zanieczyszczeń. W rezultacie stan reaktywny i wzbudzony powoduje uwolnienie zanieczyszczeń z wody i ich zniszczenie lub uczynienie mniej rozpuszczalnymi.

Należy zauważyć, że technologia elektrokoagulacji nie jest w stanie usunąć substancji rozpuszczalnych w nieskończoność. Dlatego jony o masie cząsteczkowej mniejszej niż Ca ⁺² lub Mg ⁺² nie mogą oddzielić się od środowiska wodnego.

Reakcje w reaktorze elektrokoagulacji

W reaktorze do elektrokoagulacji zachodzi niezależnie kilka różnych reakcji elektrochemicznych. To są:

• Zaszczepianie , wynikające z anodowej redukcji jonów metali, które stają się nowymi centrami dla większych, stabilnych, nierozpuszczalnych kompleksów, które wytrącają się jako złożone jony metali.
• Rozbijanie emulsji , wynikające z jonów tlenu i wodoru, które wiążą się z miejscami receptorów wody zemulgowanych cząsteczek oleju, tworząc nierozpuszczalny w wodzie kompleks oddzielający wodę od oleju, błota wiertniczego, barwników, atramentów, kwasów tłuszczowych itp.
• Kompleksowanie halogenów , ponieważ jony metali wiążą się z chlorami w cząsteczce chlorowanego węglowodoru, tworząc duży nierozpuszczalny kompleks oddzielający wodę od pestycydów , herbicydów , chlorowanych PCB itp.
• Wybielanie przez jony tlenu wytwarzane w komorze reakcyjnej utlenia barwniki, cyjanki , bakterie , wirusy , zagrożenia biologiczne itp. Zalanie elektrod elektronami wymusiło utworzenie jonów przenoszących ładunek do wody, eliminując w ten sposób polarny efekt kompleksu wodnego, umożliwiając koloidalne materiały wytrącają się, a kontrolowany prądem transport jonów między elektrodami tworzy ciśnienie osmotyczne, które zazwyczaj powoduje rozerwanie bakterii, cyst i wirusów.
• utleniania i redukcji są wymuszane do ich naturalnego punktu końcowego w zbiorniku reakcyjnym, co przyspiesza naturalny proces występujący w chemii mokrej, gdzie gradienty stężeń i produkty rozpuszczalności (KsP) są głównymi wyznacznikami umożliwiającymi osiągnięcie stechiometrycznego zakończenia reakcji.
• Elektrokoagulacja Indukowane pH zmienia się w kierunku neutralnego.

Optymalizacja reakcji

Niezbędny jest staranny dobór materiału reaktora wraz z kontrolą prądu, natężenia przepływu i pH . Elektrody mogą być wykonane z żelaza, aluminium, tytanu , grafitu lub innych materiałów, w zależności od oczyszczanych ścieków i usuwanych zanieczyszczeń. Wydaje się, że temperatura i ciśnienie mają tylko niewielki wpływ na proces.

W procesie EC mieszanina wody i zanieczyszczeń rozdziela się na pływającą warstwę, bogaty w minerały kłaczkowaty osad i czystą wodę. Warstwa pływająca jest zwykle usuwana za pomocą jazu przelewowego lub podobnej metody usuwania. Zagregowana kłaczkowata masa osadza się albo w naczyniu reakcyjnym, albo w kolejnych osadnikach pod wpływem siły grawitacji.

Po przeniesieniu do zbiornika zbierającego osad jest on zwykle odwadniany do postaci półsuchego placka za pomocą mechanicznej prasy śrubowej. Czysta, uzdatniona woda (supernatant) jest następnie zazwyczaj pompowana do zbiornika buforowego w celu późniejszego usunięcia i/lub ponownego wykorzystania w wyznaczonym procesie zakładu.

Zalety

• EC wymaga prostego sprzętu i jest łatwy w obsłudze z wystarczającą swobodą operacyjną, aby poradzić sobie z większością problemów napotykanych podczas pracy.
• Ścieki oczyszczone metodą EC dają smaczną, przejrzystą, bezbarwną i pozbawioną zapachu wodę.
• Szlam utworzony przez EC jest zwykle łatwo wiążący i łatwy do odwodnienia w porównaniu z konwencjonalnymi osadami z ałunu lub wodorotlenku żelazowego, ponieważ głównie tlenki/wodorotlenki metali nie mają ładunku resztkowego.
• Kłaczki utworzone przez EC są podobne do kłaczków chemicznych, z wyjątkiem tego, że kłaczki EC są zwykle znacznie większe, zawierają mniej związanej wody, są kwasoodporne i bardziej stabilne, a zatem można je szybciej oddzielić przez filtrację.
• EC może wytwarzać ścieki o mniejszej zawartości TDS w porównaniu z obróbką chemiczną, szczególnie jeśli jony metali mogą być wytrącane w postaci wodorotlenków lub węglanów (takich jak magnez i wapń. EC ma generalnie niewielki lub żaden wpływ na jony sodu i potasu w roztworze.
• Zaletą procesu EC jest usuwanie najmniejszych cząstek koloidalnych, ponieważ przyłożone pole elektryczne neutralizuje wszelkie resztkowe ładunki, ułatwiając w ten sposób koagulację.
• W procesie EC zasadniczo unika się nadmiernego stosowania chemikaliów, a zatem zmniejsza się konieczność neutralizacji nadmiaru chemikaliów i mniejsze jest prawdopodobieństwo wtórnego zanieczyszczenia spowodowanego przez substancje chemiczne dodawane w wysokim stężeniu, jak w przypadku chemicznej koagulacji ścieków.
• Pęcherzyki gazu wytwarzane podczas elektrolizy mogą wygodnie przenosić składniki zanieczyszczające na górę roztworu, gdzie można je łatwiej zatężyć, zebrać i usunąć za pomocą zmotoryzowanego odpieniacza.
• Procesy elektrolityczne w ogniwie EC są sterowane elektrycznie i nie zawierają ruchomych części, dzięki czemu wymagają mniej konserwacji.
• Dozowanie do ścieków dopływających podchlorynu sodu pomaga zmniejszyć biochemiczne zapotrzebowanie na tlen (BZT) i w konsekwencji chemiczne zapotrzebowanie na tlen (ChZT), chociaż należy tego unikać w przypadku ścieków zawierających duże ilości związków organicznych lub rozpuszczonego amoniaku (NH4+) ze względu na powstawanie trihalogenowanych metanów ( THM) lub inne chlorowane związki organiczne . Podchloryn sodu można wytwarzać elektrolitycznie w ogniwie E przy użyciu elektrod platynowych i podobnych elektrod obojętnych lub przy użyciu zewnętrznych elektrochlorowaczy.
• Ze względu na doskonałe usuwanie zawieszonych ciał stałych przez EC i prostotę działania EC, testy przeprowadzone dla Biura Badań Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych wykazały, że najbardziej obiecującym zastosowaniem EC w systemie membranowym okazała się wstępna obróbka systemu wielomembranowego UF/RO lub mikrofiltracja /odwrócona osmoza (MF/RO). W tej funkcji EC zapewnia ochronę membrany niskociśnieniowej, która jest bardziej ogólna niż zapewniana przez koagulację chemiczną i bardziej skuteczna. EC jest bardzo skuteczny w usuwaniu szeregu zanieczyszczeń membrany (takich jak krzemionka, wodorotlenki metali ziem alkalicznych i metale z grup przejściowych), jak również w usuwaniu wielu związków, których sama koagulacja chemiczna nie jest w stanie usunąć. (patrz Ogniotrwałe substancje organiczne)

Zastosowania elektrokoagulacji w oczyszczaniu ścieków

Procesy elektrokoagulacji są obecnie stosowane w leczeniu:

• Ścieki z syntetycznych barwników tekstylnych;
• Emulsje i płyny do cięcia;
• Woda powierzchniowa do użytku pitnego;
• ścieki komunalne;
• ścieki z biodiesla;
• Ścieki z restauracji;
• Syntetyczna woda słonawa z krzemionką;
• Syntetyczny roztwór NOM w wodzie pitnej;
• ścieki z rafinerii ropy naftowej;
• Wyprodukowana woda;
• Ścieki z tłoczni oliwy z oliwek;
• Twardość wody pitnej;
• Ścieki z rafinerii oleju roślinnego;
• Syntetyczny roztwór arsenu w wodzie pitnej;
• syntetyczne ścieki z prania;
• ług czarny z przemysłu papierniczego;
• Syntetyczna świeża woda z wirusami;
• Odzysk metali z roztworu (złoto, miedź itp.).

Leczenie

Elektrokoagulacja
MeSH

Maszyna do elektrokoagulacji medycznej

Sonda z cienkiego drutu lub inny mechanizm dostarczania służy do przesyłania fal radiowych do tkanek w pobliżu sondy. Cząsteczki w tkance wprawiane są w wibracje, co prowadzi do gwałtownego wzrostu temperatury, powodując koagulację białek w tkance i skutecznie zabijając tkankę . Przy zastosowaniach o większej mocy możliwe jest pełne wysuszenie tkanki.

Zobacz też

• Wykaz technologii oczyszczania ścieków
• Oczyszczanie ścieków przemysłowych
• Koagulacja (uzdatnianie wody)