Электрохимическая очистка помогает соблюдать строгие экологические стандарты по содержанию элементов в промышленных сбросах воды
Горно-обогатительные предприятия постоянно ищут способы минимизации воздействия на окружающую среду и внедрения более экологически устойчивых методов обогащения полезных ископаемых. Вода играет ключевую роль в процессе обогащения, выступая не только как рабочая среда, но и являясь источником эксплуатационных и экологических рисков. С понижением качества руды увеличивается количество примесей, что отрицательно сказывается на качестве сточных вод. Технология электрохимической очистки является эффективным решением для очистки сточных вод, удаляя растворенные примеси и позволяя соблюдать строгие экологические требования по максимально допустимым концентрациям элементов в сбросах воды.
Электричество использовалось для очистки воды на протяжении последних десятилетий, но из-за технологических ограничений и высоких эксплуатационных расходов в сравнении с другими методами его широкомасштабное применение в качестве основного метода очистки сточных вод было затруднено. Однако ужесточение экологических норм по сбросу сточных вод стало мощным стимулом для развития технологий электрохимической очистки воды (ЭХОВ).
Принцип работы технологий ЭХОВ достаточно прост: электроды используются для воздействия на воду с помощью электрического тока, чтобы вызвать необходимую реакцию. Несмотря на простоту, предсказать результат такого воздействия довольно сложно, поскольку процесс протекает на стыке гидро- и электрохимии.
Разновидности технологий ЭХОВ
Технологии ЭХОВ можно условно разделить на три типа:
- электрокоагуляция (ЭК);
- электрофлотация (ЭФ);
- электроокисление (ЭО).
Тем не менее, различия между этими методами не всегда четкие, и некоторые авторы используют эти термины как синонимы, поэтому при изучении литературы стоит проявлять внимание.
Наиболее известный метод среди этих технологий — электрокоагуляция, при которой электричество используется для растворения металла из одноразового электрода (анода) в очищаемую воду. Этот растворенный металл затем вступает в реакцию как с примесями в воде, так и с самой водой, что вызывает коагуляцию. В отличие от традиционной очистки осаждением, при ЭХОВ соли не добавляются в воду. Для ЭК наиболее часто используют железо и алюминий, так как эти материалы эффективны, недороги и доступны.
При электроокислении используется инертный электрод, покрытый, например, титаном, или электрод из бором легированного алмаза. В этом случае происходит не растворение, а образование кислорода через электрическую диссоциацию воды. Иногда может образовываться хлор, который быстро реагирует с гипохлоритом, являющимся мощным окислителем и повышающим эффективность процесса.
Газ, выделяющийся на электродах в процессе диссоциации воды, может быть использован для флотации частиц, образующихся при ЭК, или других примесей в воде. Этот процесс называется электрофлотацией, и хотя он часто рассматривается как часть ЭК или ЭО, он также может быть применен как отдельный процесс.
Целевое применение технологий ЭХОВ
В последнее время процессы ЭХОВ активно исследуются в различных отраслях с учетом различных типов примесей. Одним из основных направлений исследований является удаление ионов металлов и гидроксидов, масел и органических веществ. В целом, по мере снижения концентрации примесей, технология ЭХОВ становится более конкурентоспособной по сравнению с традиционными методами очистки осаждением.
Основной потенциал технологии ЭХОВ заключается в доочистке сточных вод от веществ, которые трудно удалить при традиционной очистке, таких как оксианионы мышьяка, сурьмы и селена, а также остатки металлов, таких как кадмий, никель и медь.
Факторы, влияющие на эффективность ЭХОВ
Основными факторами, определяющими эффективность процесса электрохимической очистки воды (ЭХОВ), являются плотность тока (или подаваемый ток), а также время пребывания в камере или расход. Плотность тока, выражаемая в амперах на квадратный метр (А/м²), обозначает количество тока, подаваемого на единицу площади электрода, и является ключевым фактором, определяющим, какие электрохимические реакции будут происходить на его поверхности. Она также влияет на интенсивность растворения электрода, образование пузырьков и потенциал в камере, что в свою очередь сильно влияет на рентабельность процесса очистки.
Загрузка материала, измеряемая в кулонах на кубический метр (C/м³) или в единицах, таких как ас/м³, указывает на количество электрической энергии, подаваемой на электролит по объему. Эта величина прямо пропорциональна количеству растворенного материала с электрода и от нее зависит дозировка металла. Загрузка материала сочетает в себе два основных параметра — подаваемый ток и расход, что делает её важным показателем эффективности очистки.
Технология ЭХОВ показала свою эффективность в широком диапазоне температур и уровней pH. Процесс ЭХОВ, как правило, повышает pH воды до слабощелочного значения (pH 8-9), что помогает нейтрализовать раствор и, как правило, позволяет осуществлять прямой сброс. При проектировании системы ЭХОВ необходимо учитывать, что алюминиевые электроды могут поддаваться пассивации при определенных уровнях pH, в то время как железные электроды более устойчивы и гибкие.
Окончательные значения подаваемого тока и расхода зависят от состава очищаемой воды и конкретных требований к очистке. Поэтому проектирование и оптимизация процесса ЭХОВ должны ориентироваться на достижение определенных целей. Дополнительно, концентрации ионов примесей влияют на электропроводность воды, что определяет напряжение системы и расходы на очистку.
Результаты и стоимость технологии ЭХОВ
В следующих примерах уровень очистки будет соотнесен с загрузкой материала. Как уже упоминалось, наибольшую эффективность технология ЭХОВ демонстрирует при доочистке сточных вод. Если начальная концентрация примесей составляет менее 10 мг/л, то после обработки воды остаточный уровень примесей может быть снижен до 20 мкг/л. На Рис. 2 показан пример воды, подходящей для применения технологии ЭХОВ. В исходной воде было не так много примесей, но предел концентрации никеля в сточных водах составляет 20 мкг/л.
В большинстве случаев в воде растворено значительно больше соединений. На Рис. 3 показан порядок реакции для различных веществ. Например, мышьяк и никель вступают в реакцию раньше, чем сурьма. В общем, ЭХОВ не является селективным методом очистки, и результаты зависят от общего содержания растворенных твердых веществ, которые реагируют в процессе электрохимической очистки.
При высоком содержании примесей перед ЭХОВ рекомендуется проводить предварительную обработку, такую как нейтрализация или использование технологии с арсенатом железа. На Рис. 4 показано, как изменение уровня pH влияет на эффективность очистки. Правильный выбор технологии предварительной обработки может значительно повысить эффективность ЭХОВ и снизить эксплуатационные расходы.
Эксплуатационные затраты технологии ЭХОВ включают потребление электроэнергии и расход электродов. Расход электродов пропорционален подаваемому току в соответствии с законом Фарадея. Энергозатраты зависят от тока, электропроводности сточных вод и конструкции камеры, что усложняет точную оценку затрат, так как они могут существенно варьироваться в каждом случае. Обычно энергопотребление составляет от 0,7 до 1,2 кВтч/м³, а расход железных электродов колеблется в пределах от 0,5 до 0,2 кг/м³. Примеры соотношения уровня очистки и эксплуатационных затрат представлены на Рис. 5 и 6. В целом, возможно достичь низкой остаточной концентрации, но это приведет к увеличению эксплуатационных затрат. Обычно находится оптимальный баланс между результатами очистки и расходами.
EWT-40
Установка электрохимической очистки воды EWT-40 от Metso Outotec является результатом глубоких исследований и разработок компании в области водоочистки. Metso Outotec интегрировала свой опыт в очистке воды, технологическом проектировании, электролизе и гидрометаллургии в эффективный и экономичный продукт с модульной конструкцией. Этот процесс электрохимической очистки воды представляет собой высокоавтоматизированную систему, которая требует минимального вмешательства персонала и обеспечивает отличные результаты очистки. Установки EWT-40 можно интегрировать в различные комплексы сепарации твердых частиц или жидкостей для удаления мелких загрязнений, соответствующих установленным экологическим стандартам.
Решения по электрохимической очистке воды могут быть использованы для различных задач: от удаления мышьяка, селена и сурьмы до устранения металлических микроэлементов и органических загрязнителей. Эти системы могут поставляться в виде отдельных комплексов, включая полный спектр услуг по техническому обслуживанию, поставке запасных частей и поддержке эксплуатации. Технология ЭХОВ представляет собой пример реализации концепции контейнерных установок cPlant. Контейнерная установка включает в себя сборные модули, прошедшие функциональные испытания, которые размещены в стальных контейнерах, что позволяет легко транспортировать, устанавливать и быстро внедрять систему в производственный процесс. Также возможно предоставление дополнительных услуг и комплексных решений, включая лабораторные исследования, полупромышленные испытания, концептуальный анализ, ТЭО, проектирование и разработку индивидуальных решений для всего технологического процесса.
Заключение
Технология электрохимической очистки воды является эффективным решением для очистки разбавленных сточных вод или тех, которые уже прошли предварительную обработку, но все еще не соответствуют строгим экологическим стандартам по предельно допустимому сбросу. ЭХОВ особенно эффективна при удалении загрязняющих веществ, которые трудно устранить традиционными методами, таких как сурьма, мышьяк, кадмий и селен.
Электрохимическая очистка воды предлагает три ключевых преимущества:
- Соблюдение экологических норм.
- Снижение эксплуатационных затрат.
- Упрощение работы системы.
Кроме того, данная технология может быть использована для очистки в конце производственного цикла на действующих предприятиях, чтобы обеспечить соответствие требованиям по предельно допустимому сбросу.
