К важнейшим проблемам современного сообщества, связанным с развитием промышленности и сельскохозяйственного производства, энергетики и коммунального хозяйства, относятся комплексное использование и охрана водных ресурсов [1]. Рост водопотребления, возросшие требования к качеству воды обусловливают строительство новых систем и сооружений водоснабжения, расширение и реконструкцию существующих. При поступлении сточных вод в природные содержание минеральных солей в последних непрерывно возрастает, что усугубляет дефицит пресной воды [2-5, 249, 255].
Для реализации малоотходных технологических процессов и бессточных систем водоснабжения необходимо применение опреснительных установок. Наиболее перспективным, изученным и широко распространенным методом опреснения является электродиализ.
Современный электродиализный метод - это мембранный процесс, основанный на явлении переноса электролита через селективные ионообменные мембраны под действием электрического поля. Электродиализные установки представляют собой систему дилюатных и рассольных камер, образованных катионо- и анионообменными мембранами.
Область применения электродиализного метода не ограничивается опреснением засоленных вод и обессоливанием пресных. Метод применяется для концентрирования электролитов, удаления электролитов из органических растворов, сепарации различных веществ, получения кислот и щелочей и др. Определенное место электродиализ занимает и среди методов очистки сточных вод.
В соответствии с Федеральными законами об охране природы в промышленности предусматриваются меры по совершенствованию производства и рекуперации отходов, по созданию процессов на основе малоотходной и безотходной технологий. В общем виде эти мероприятия направлены на создание следующих схем и режимов производств:
- - комплексных схем, позволяющих максимально использовать все ингредиенты сырья и обеспечивающих соблюдение ПДК вредных веществ в отходящих потоках;
- - схем с полным кругооборотом воды, позволяющих резко сократить потребность предприятий в свежей воде;
- - энерго-технологических схем с утилизацией тепла реакций;
- - технологических режимов, обеспечивающих выпуск продукции высокого качества, которую можно использовать более эффективно и более длительный срок.
3
Осуществление указанных мер позволит снизить расход сырья и энергии.
Основным направлением охраны окружающей среды от промышленных отходов должна быть разработка безотходных и малоотходных технологических процессов. Эта задача стратегическая и рассчитана на длительный период. В настоящее время наиболее распространенным методом решения этой проблемы является разработка эффективных очистных установок для улавливания и переработки различных отходов [6-8, 83-85].
Среди всего разнообразия производственных сточных вод (гл. 1.2) нами особо выделены сточные воды, образующиеся на предприятиях металлообработки и машиностроения. Эти производства являются значительными потребителями водных ресурсов, забирающими из водных источников около 12 % свежей воды от общего расхода промышленностью страны. Около половины этого количества расходуется на нужды гальванического производства. Оценки количества солей тяжелых металлов, сбрасываемых в России со сточными водами гальванических производств, противоречивы [10, 11]. Однако в целом они свидетельствуют о серьезном загрязнении природной среды и расточительном отношении к ресурсам. Так, по данным [11] в гальванотехнике в среднем полезно используется 30-40 % цветных металлов, от 5 до 10 % кислот и щелочей и только 2-3 % воды. Помимо прочего, эти производства выбрасывают много токсичных шламов, образующихся при частичном обезвреживании сточных вод, переработка которых требует значительных затрат. Гальванопроизводства имеют специфические особенности в использовании воды, свои источники ее загрязнения и, следовательно, требуют разработки и внедрения своих конкретных технологических решений проблемы очистки воды с целью ее комплексного использования.
Существенным резервом в осуществлении этих мероприятий является использование электрического тока в технологии очистки сточных вод, при котором происходит прямое превращение электрической энергии в энергию химических реакций, протекающих в растворе с большой скоростью.
В настоящее время методы электрообработки получили развитие как эффективные и прогрессивные в технологии очистки воды. Установки по реализации этих методов достаточно компактны, высокопроизводительны, процессы управления и эксплуатации сравнительно просто автоматизируются. Кроме того, электрообработка, при правильном сочетании ее с другими способами, позволяет успешно очищать сточные воды от ряда примесей различного состава и дисперсности. Позитивным является так же и то, что при этом, как правило, не увеличивается солевой состав очищаемой воды и нередко исключается образование осадков или значительно уменьшается их количество. Все это обеспечивает в ряде случаев существенные преимущества электрохимических методов перед традиционными методами обработки воды. Увеличение количества и мощности источников
4
электроэнергии, значительные успехи в области конструктивных разработок электролизеров, появление новых электротехнических материалов, в том числе малоизнашивающихся, стойких к анодной поляризации электродов, позволяют предполагать, что установки, действующие на основе принципов воздействия электрофизических и электрохимических факторов, найдут широкое применение в технологии водоподготовки и локальной очистки промышленных сточных вод.
Среди перспективных методов использования электрического тока в целях очистки воды, по нашему мнению, следует выделить электродиализный метод [12, 121]. Он получил широкое распространение при обессолива-нии природных вод, имеющих достаточно высокое солесодержание. Однако в технологических операциях нанесения металлических покрытий электролиты готовятся концентрацией основного компонента от 50 до 350 г/л и более. При промывке деталей после нанесения покрытий образуются сточные воды с концентрацией ионов металлов от 1,0 до 50 мг/л - в ваннах промывки, и до 10 г/л - в ваннах улавливания. Использование опреснительных установок для очистки и регенерации таких вод в связи с заметными различиями в составе растворов экономически нецелесообразно из-за быстрого выхода из строя мембран и высоких энергозатрат. Поэтому практическая реализация метода связана с разработкой конструкции электродиализной установки, выбора материала электродов, ионообменных мембран, отработки технологического режима процесса применительно для каждого конкретного случая.
Большую роль в развитии метода электродиализа в нашей стране сыграли труды и монографии Н.Э. Апельцина, В.К. Варенцова, Н.П. Гнусина, В.Д. Гребенюка, Ю.В. Дытнерского, В.И. Заболоцкого, Б.Н. Ласкорина, М.В. Певницкой, К.М. Салдадзе, В.Н. Смагина, В.А. Шапошника и др.
Несмотря на очевидные теоретические преимущества [12, 13, 56, 63, 114], метод электродиализа нуждается в интенсификации: необходим поиск эффективных мер по предотвращению отравления и осадкообразования в мембранах, исследование механизма специфичного ионного транспорта, разработка конкретных технологий, позволяющих утилизировать концентраты и получать техническую воду, а также разработка замкнутых локальных циклов водопользования. Одним из решений этих задач является использование импульсного тока для питания электродиализаторов.
Импульсный электролиз относится к перспективным методам электрообработки водных сред [46-50]. Путем варьирования формой, амплитудой и частотой тока (либо потенциалом) можно управлять электрохимическим процессом диализа. Качественные ограничения процесса электролиза при импульсном режиме наступают при более высокой плотности тока, чем для стационарного, проявляется положительное влияние таких факторов, как улучшение условий протекания целевого процесса, возможность более гибкого регулирования реакции депассивации электродов, повышение скорости
5
реакции и производительности электролизеров.
Проведенный анализ литературных данных позволяет сделать вывод о том, что для создания локальных водооборотных систем на промышленных предприятиях, в частности, в гальваническом производстве, одним из наиболее перспективных является электродиализный метод; при использовании постоянного тока ускоряется процесс диализа ионов через мембрану, но не достигается селективного их разделения; применение переменно-точного режима электролиза позволяет не только увеличить производительность электродиализаторов, но и достичь эффективного селективного разделения ионов.
За последнее десятилетие отсутствуют учебные пособия, которые в достаточной мере освещали электрохимические методы очистки природных и сточных вод, и в частности электродиализный. Представленный теоретический материал позволяет углубить знания студентов-строителей основ физической и электрохимии и опираясь на гидравлический расчет создать эффективную технологию очистки вод.
В настоящем пособии рассмотрены классификация и свойства природных и сточных вод, а также приведены основы электрокинетической и диффузионной кинетики электродных процессов, необходимые для понимания и успешного управления процессами электрохимической очистки вод, представлены конструкции аппаратов и методы расчетов.
Обосновав перспективность использования электродиализа для очистки природных и сточных вод, авторами рассмотрены пути интенсификации метода. Большой научный и практический интерес в этом направлении представляет использование нестационарных режимов электролиза. Основы этого направления были заложены заслуженным деятелем науки и техники РФ, доктором технических наук, профессором A.M. Озеровым.
Пособие может быть полезным при разработке программ и методик исследований, а также при обработке экспериментальных результатов учебных и научно-исследовательских работ, полученных студентами строительных специальностей в период обучения и при выполнении дипломного проекта.
В пособии приведен большой литературный обзор, который может быть использован аспирантами и слушателями факультета повышения квалификации преподавателей при анализе литературных данных, составлении рефератов и конспектов лекций.
Главы 1, 3, 6, 7 написаны к.т.н., доцентом Вурдовой Н.Г., главы 2, 4 и 5 совместно с д.т.н., профессором Фомичевым В.Т.
Авторы выражают глубокую признательность и благодарность доктору технических наук Л.Н. Губанову, доктору технических наук А.Б. Голованчикову, кандидату технических наук В.А. Чухину за замечания и предложения, сделанные при рецензировании рукописи.
6
